Вплив залишкових напружень в зварних двотаврових колонах на їх стійкість при дії моменту в площині більшої жорсткості

Наукову новизну отриманих результатів становлять:

- теоретичний метод визначення залишкового стану, що виникає в двотаврових колонах під час виготовлення з застосуванням зварювання;

- теоретичний метод оцінки впливу залишкових напружень на стійкість двотаврових колон;

- методика і результати експериментальних досліджень по визначенню параметрів залишкового стану, що виникає під час виготовлення, і оцінці його впливу на стійкість двотаврових колон;

- пропозиції щодо технології виготовлення колон із таким залишковим станом, що позитивно впливає на їхню роботу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений метод дозволяє виконати розрахунок зварних двотаврових колон на стійкість з урахуванням впливу залишкових напружень, що сприяє проектуванню ефективних за витратами металу конструкцій. Розроблена технологія виготовлення ефективних за витратами металу зварних двотаврових колон з оптимальним залишковим станом орієнтована на існуючі технології заводів металоконструкцій і дозволяє випускати економічні (із зниженням маси до 30%) конструкції при незначному збільшенні трудомісткості.

Результати досліджень використані при проектуванні колон торговельного павільйону в місті Кіровську Луганської області, проведенні науково-дослідної роботи кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій Придніпровської державної академії будівництва й архітектури.

Особистий внесок здобувача:

- розроблення теоретичного методу визначення залишкових напружень, що виникають в елементах сталевих конструкцій під час виготовлення;

- розроблення теоретичного методу оцінки впливу залишкових напружень на стійкість двотаврових колон;

- розроблення методики і проведення експериментальних досліджень по визначенню параметрів залишкового стану, що виникає під час виготовлення, і оцінці його впливу на стійкість двотаврових колон;

- розроблення технології виготовлення ефективних за витратами металу конструкцій на основі зварних двотаврів.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на: науково-технічному семінарі «Діагностика в будівництві» (м. Дніпропетровськ, 15-20 травня 2002 р.); Дев'ятому Україно-Польскому семінарі «Теоретичні основи будівництва» (м. Варшава, Польща, 24-28 червня 2002 р.); Міжнародній конференції «Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будинків, споруд і інженерних мереж» (м. Донецьк, 9-12 червня 2003 р.); Десятому Україно-Польскому семінарі «Теоретичні основи будівництва» (м. Дніпропетровськ, 24-28 червня 2003 р.); VIII Українській науково - технічній конференції «Металеві конструкції: погляд у минуле і майбутнє» (м. Київ, 18-22 жовтня 2004 року).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 робіт, у т.ч. 7 публікацій у фахових виданнях, що входять у перелік ВАК України (номери за списком [1-5, 7, 8]). Без співавторів опубліковано 2 роботи.

колона зварний двотавровий напруження

У вступі викладено обґрунтування актуальності проблеми, приведена загальна характеристика роботи, положення, що виносяться на захист, практичне значення і реалізація отриманих результатів, відомості про апробацію роботи.

(6)

де початковий ексцентриситет, з яким прикладається стискальне навантаження; максимальний прогин елементу при навантаженні ; - відповідно ширина і товщина поясу, висота і товщина стінки двотавра; - відповідно висота пружного і пластичного ядра в стінці; площа стінки; внутрішні зусилля в зонах залишкових розтягувальних напружень більш стиснутого поясу; внутрішні зусилля в зонах залишкових розтягувальних напружень менш стиснутого поясу; внутрішні зусилля в зонах залишкових розтягувальних напружень в стінці, які розташовані, відповідно, біля більш і менш стиснутого поясу. Всі ці та інші параметри, що входять до формул (5), (6), наведені на рис. 1, залежать від кривизни перерізу і визначаються за формулами, які отримані під час розглядання деформованого стану з урахуванням передумови щодо гіпотези плоских перерізів.

Площі зон залишкових розтягувальних напружень і розподіл залишкових напружень в перерізах колон визначають за спеціально розробленою методикою, що наведена нижче.

6. Послідовно уточнюючи параметри напружено - деформованого стану і кривизни всіх перерізів, крім найбільш навантаженого (для якого , де - номер перерізу за довжиною колони), одержують опорну (j) точку залежності (навантаження - прогин), що відповідає кривизні .

7. Змінюють радіус кривизни найбільш навантаженого перерізу і за формулою (4) знаходять кривизну .

8. Роблять обчислення за пунктами 5 - 6 алгоритму й одержують нове значення опорної (j+1) точки кривої , що відповідає кривизні .

9. Порівнюють значення навантаження Р на суміжних етапах розрахунку:

якщо роблять обчислення за пунктом 7;

якщо повертаються на попереднє значення радіуса кривизни , змінюють і продовжують обчислення за пунктом 7.

Розрахунок вважається закінченим після виконання умови

де - приведена площа залишкових розтягувальних напружень у поясах, що враховує зменшення величин залишкових напружень у межах цих зон; - відповідно величини катета зварного шву і глибини проплавления основного металу для поясних швів [ (2 -4) мм - при напівавтоматичному і (3 - 6) мм - при ручному зварюванні]; ; - відповідно величини катета зварного шву і глибини проплавления основного металу при наплавленні валиків на крайках поясів; - у цій формулі умовна товщина стінки (при відсутності поясних швів , при наявності поясних швів).

При відсутності поясних швів формула (8) має вигляд

(10)

Залишкові стискальні напруження в стінці, що виникають після наплавлення валиків, визначаються за формулами

(11)

(12)

де приведена площа залишкових розтягувальних напружень у стінці, що враховує зменшення величин залишкових напружень у межах цих зон.

Площі зон залишкових розтягувальних напружень, що виникають після зварювання поясних швів відповідно в поясах () і стінці (), визначаються за формулами

(13)

(14)

(15)

. (16)

Площа зон залишкових розтягувальних напружень на крайках поясів, що виникають після наплавлення валика

(17)

У формулах (13) - (17): - приведена висота катета зварного шву з урахуванням товщини проплавлення основного металу; - коефіцієнти розподілу енергії зварювання на пояси і на стінку.

Крім цього, у розділі викладені загальні принципи компонування перерізів. Ці принципи базуються на відомих пропозиціях і враховують наявність залишкових напружень.

У третьому розділі приведені результати експериментальних досліджень. Відповідно до поставлених задач в цій частині роботи передбачалося:

- розрахунок, проектування та виготовлення експериментальних зразків (далі зразків) - зварних двотаврових колон однакової площі поперечного перерізу з різними видами залишкового стану;

- дослідження залишкового стану, що виникає в зварних двотаврових колонах під час виготовлення і регулювання шляхом наплавлення валиків на крайках поясів;

- проведення порівняльних випробувань зразків при однакових значеннях ексцентриситету, з яким прикладалось вертикальне навантаження;

- порівняння результатів випробувань;

- експериментальне обґрунтування пропозицій із розрахунку позацентрово стиснутих двотаврових колон з урахуванням впливу залишкового стану, що обумовлений термічними впливами під час виготовлення;

- дослідження можливості підвищення несучої здатності колон за рахунок наплавлення валиків на частині довжини.

Для вирішення поставлених задач були виготовлені 4 серії зразків по 3 зразки в кожній серії (рис. 4). Матеріал - сталь марок Ст3 (6 штук) і 09Г2С (6 штук). Перша група зразків (к1-1, к1-2, к1х-1, к1х-2) виготовлена без стругання крайок поясів перед зварюванням, друга група (к2-1, к2-2, к2х-1, к2х-2) - зі струганням крайок (з метою ліквідації зон залишкових розтягувальних напружень), третя (к3-1, к3-2, к3х-1, к3х-2) - без стругання, але з наплавленням валиків на всіх 4 крайках у центральній частині (у маркуванні зразків: х - зразки зі сталі 09Г2С). В межах серії зразки відрізнялись залишковим станом.

Зразки випробовувалися з забезпеченням деформування в площині більшої жорсткості. Це досягалося шляхом випробувань із ексцентриситетом прикладення навантаження 65 мм у цій площині і використанням спеціальних пристосувань, що зменшують розрахункову довжину в площині меншої жорсткості.

Дослідження зразків виконувалися в 2 етапи. На першому етапі були випробування зразків статичним навантаженням на гідравлічному пресі ИПС-500. Відліки бралися за відповідною шкалою пресу, що дозволило одержати результат із бажаною точністю. Похибка не перевищувала 1% від величини навантаження.

Випробування проводились із використанням однакових опорних пристроїв, що встановлювались на торцях зразків і на опорних пластинах пресу. Знімні пристрої за допомогою болтів встановлювались на торцях колон. Незнімні пристрої закріплювались на опорних пластинах траверси пресу і візка.

Зразки випробовувалися як позацентрово стиснуті елементи із шарнірними опорами. Шарнирність забезпечувалася установкою між знімними і незнімними частинами опор сталевих катків діаметром 30 мм.

Навантаження виконувалося етапами по 50 кН з витримкою на етапі не менше 3 хвилин. Показання прогиновимірювача записувалися після додавання етапного навантаження і витримки на етапі.

Збільшення навантаження виконувалося до вичерпання несучої здатності. Інтегральною характеристикою вичерпання несучої здатності було значне зростання прогинів при постійному навантаженні (досягнення максимуму на кривій стану). Навантаження, що відповідало такому стану, вважалося граничним.

Процес вичерпання несучої здатності закінчувався просторовою формою втрати стійкості стиснутого поясу по двох напівхвилях із точкою перегину в центрі зразка. При цьому, аж до втрати стійкості колони стиснутий пояс зберігав плоску форму.

Всі зразки після випробувань мали залишковий прогин. У зразках із наплавленими на крайках поясів валиками спостерігалася втрата місцевої стійкості стиснутого поясу в місці, де закінчувалося наплавлення валиків.

За даними виконаних досліджень були побудовані залежності «P - Y».

Другим етапом було проведення досліджень залишкового стану, що виникає при виготовленні. Залишковий стан визначався методом виміру деформацій через руйнування (розрізання пилкою) шляхом звільнення елементів конструкцій із залишковими напруженнями. У якості первинних засобів вимірювання прийняті дротові тензорезистори з базою 10 мм. Була прийнята напівмостова схема з'єднання тензорезисторів із двома датчиками (активним і компенсаційним) через комутатор для почергового підключення активних датчиків.

У якості вторинної вимірювальної апаратури застосована система СИИТ-3. Комутація між приладами і випробуваним елементом здійснювалася через перехідні розняття і допоміжні кабельні лінії.

За даними виконаних досліджень побудовані епюри залишкових напружень.

У четвертому розділі приведені дані про практичне застосування результатів роботи в таких напрямках.

1. Експериментальне обгрунтування розроблених методів розрахунку залишкового стану і його впливу на стійкість позацентрово стиснутих двотаврових колон при дії моменту в площині більшої жорсткості.

Порівняння результатів виконувалося для величин залишкових стискальних і розтягувальних напружень, а також величин несучої здатності. Було встановлено, що для n= 12 зразків (використані дані автора і В.С. Ігнатьєвої) середня величина [де Ki = Pu,t,i/Pu,m,i (Pu,t,i, Pu,m,i - величини несучої здатності для i-го зразка, які отримані відповідно за результатами розрахунку і за даними випробувань)], а середньоквадратичне відхилення . Результати порівнянь експериментальних і теоретичних даних наведені на рис. 5, 6, 7, 8. На рис. 5, 6, 7: 1 - експериментальна крива; 2 - теоретична крива [прогин визначався за формулою (1)]; 3 - теоретична крива [прогин визначався за формулами (2), (3)].

Було встановлено, що при наплавленні валиків на крайках виникали зони розтягувальних напружень, які за величиною наближались до межі текучості сталі. Наявність цих зон спричинило зростання стійкості колон до 10%.

2. Проектування конструкцій для нового будівництва.

3. Технологія виготовлення ефективних за витратою матеріалу металевих конструкцій із наплавленням валиків на частині довжини.

Як показали результати досліджень, конструкції на основі елементів із зміненим після наплавлення валиків залишковим станом більш економічні за витратами матеріалу, але більш трудомісткі при виготовленні. На підставі аналізу результатів експериментальних досліджень сформульовані вимоги і розроблена технологія виготовлення конструкцій. Технологія включає виготовлення конструкції в послідовності, яка традиційно використовується на заводах металоконструкцій, з наступним наплавленням валиків по крайках на частині довжини.

Розроблено методику оцінки ефективності застосування зварних конструкцій із регульованим шляхом наплавлення валиків залишковим станом.

Загальні висновки

1. Удосконалена методика визначення залишкового стану, що виникає у зварних двотаврових колонах під час виготовлення. Розроблена методика базується на чітких фізичних гіпотезах і допущеннях. Вона дозволяє з єдиних позицій оцінювати залишковий стан, що виникає у зварних елементах, в т.ч. і після наплавлення валиків на крайках. Рішення, отримані з використанням цієї методики, добре співпадають з експериментальними даними.

2. Удосконалено метод розрахунку зварних двотаврових колон при дії моменту в площині більшої жорсткості з урахуванням впливу залишкових напружень у частині оцінки стійкості і підбирання перерізів. Метод базується на застосуванні гіпотез і допущень, традиційно використовуваних для рішення такого роду задач. Рішення враховує можливість просторової (згинально - крутильної) форми втрати стійкості колони. У ході розрахунків конструкцій із заданими параметрами визначаються точки діаграми «навантаження - прогин». Встановлено ефективність застосування регулювання залишкового стану шляхом наплавлення валиків на крайках поясів.

Порівняння експериментальних і отриманих розрахунковим шляхом результатів визначення несучої здатності колон свідчить про високу надійність розрахункової методики. Для n= 12 експериментальних зразків було встановлено, що величина , а середньоквадратичне відхилення .

Удосконалена методика урахування впливу залишкового стану на параметри компонування перерізів зварних двотаврових колон дозволяє виконати підбирання перерізів із використанням відомих пропозицій і додаткових передумов, що враховують наявність залишкових напружень. Використання розробленої методики дозволяє проектувати більш економичні (до 15%) перерізи за рахунок раціонального розміщення матеріалу і позитивного впливу залишкових напружень.

3. Розроблена методика і проведені комплексні експериментальні дослідження зварних двотаврових зразків із різноманітними видами розподілу залишкових напружень. Методика передбачала розрахунок, проектування та виготовлення зразків і оснащення в заводських умовах, визначення залишкового стану руйнівним методом і випробування на стійкість.

Отримані дані про розподіл залишкових напружень у перерізах зварних двотаврових колон показали, що стругання крайок поясів (видалення зон залишкових розтягувальних напружень) призводить до появи залишкових стискальних напружень на крайках більшої інтенсивності (порядку 0,2 _т), ніж у зразках без стругання (порядку 0,1 _т). Наплавлення валиків призводить до формування на крайках поясів зон залишкових розтягувальних напружень, що за величиною наближаються до межі текучості сталі.

У результаті досліджень зразків на стійкість отримані такі результати:

- вичерпання несучої здатності зразків усіх серій відбувалося внаслідок значного (більше 3 мм) зростання прогинів при постійному навантаженні і закінчувалось втратою стійкості стиснутого поясу по двох напівхвилях із точкою перегину в центрі зразків;

- для всіх серій зразки з наплавленими валиками показали в середньому на 10% більшу несучу здатність, ніж зразки зі струганням крайок;

- для всіх серій зразки без стругання крайок показали несучу здатність у середньому на 5% більше, ніж зразки зі струганням;

- вичерпання несучої здатності зразків із наплавленими валиками завершувалося втратою місцевої стійкості стиснутого поясу в місці закінчення наплавлення.

4. Розроблені пропозиції щодо технології виготовлення металевих конструкцій із таким залишковим станом, що позитивно впливає на їхню роботу під навантаженням. Пропозиції засновані на результатах проведених досліджень і дозволяють виконати регулювання залишкового стану шляхом наплавлення валиків на крайках поясів на частині довжини колони.

5. Розроблені методики розрахунку впроваджені при проектуванні колон торговельного павільйону в місті Кіровську. В порівнянні з типовим рішенням на основі широкополичних двотаврів, зварна колона на 127 кг легша. Ефект від зниження металоємності колони склав 439 гривень на 1 т конструкцій.

Список опублікованих праць

1. Голоднов А.И., Полишко С.Н. Повышение несущей способности внецентренно-сжатых стержней из сварных двутавров за счет оптимизации полей остаточных напряжений // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ, ПДАБтаА, 2001. - №10. - С. 17 - 22. (автору належать пропозиції щодо визначення галузі застосування методики розрахунку).

2. Голоднов А.И., Полишко С.Н. Напряженно-деформированное состояние сжатого стержня с учетом влияния полей остаточных напряжений // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - №5. - С. 14 - 20. (автору належить розроблення методики визначення залишкових напружень).

3. Голоднов А.И., Полишко С.Н. Методика экспериментальных исследований сжатых стальных стержней, имеющих поля остаточных напряжений // Строительство. Материаловедение. Машиностроение: Сб. науч. тр./ ПГАСиА. - Днепропетровск: ПГАСиА, 2002. - Вып. 18. - С. 43-48. (автору належить виконання розрахунків для визначення конструкцій зразків).

4. Голоднов А.И., Набоков И.И., Полишко С.Н. Принципы компоновки сечений сжатых стальных двутавровых стержней с учетом влияния остаточных напряжений // Теоретичні основи будівництва: Збірник наукових праць. Т. II / Придніпровська державна академія будівництва та архітектури і Варшавський технічний університет. - Варшава: Варшавський технічний університет, 2002. - Вип. 10. - С. 626 - 631. (автору належить розроблення розрахункової програми та виконання порівняльних розрахунків).

5. Голоднов А.И. Полишко С.Н. Остаточное напряженно-деформированное состояние в сварных элементах, возникающее при их изготовлении // Теоретичні основи будівництва: Збірник наукових праць / Придніпровська державна академія будівництва та архітектури і Варшавський технічний університет. - Днепропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - Вип. 11. - С. 85 - 88. (автору належить розроблення методики визначення залишкових напружень).

6. Полишко С.Н. Несущая способность внецентренно сжатых стальных колонн с различными видами остаточного напряженного состояния // Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будівель, споруд та інженерних мереж: Матеріали міжнародної конференції. - Донецьк: УАМК, 2003. - С. 353 - 357.

7. Полишко С.Н. Учет влияния остаточного напряженно - деформированного состояния на устойчивость внецентренно сжатых стальных двутавровых стержней // Вісник Придніпровської державної академії будівництва і архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - №10-11. - С. 94-99.

8. Голоднов А.И., Полишко С.Н. Экспериментальные исследования внецентренно сжатых сварных двутавровых образцов-колонн // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2004. №1. - С. 43-50. (автору належить участь у розробленні методики та проведенні експериментальних досліджень).

9. Полишко С.Н., Иванов А.П., Голоднов А.И. Экспериментальные исследования внецентренно сжатых стальных колонн // Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее: Сборник докладов VIII Украинской научно - технической конференции. - Часть 1. - К.: Изд-во «Сталь», 2004. - С. 618 - 623. (автору належить участь у розробленні методики і проведенні випробувань).

Размещено на Allbest.ru