Втомна міцність арматурного прокату класу А500С та його зварних з’єднань

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВТОМНА МІЦНІСТЬ АРМАТУРНОГО ПРОКАТУ КЛАСУ А500С ТА ЙОГО ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

БАБЯК ІГОР ПЕТРОВИЧ

Київ -2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Коваль Петро Миколайович, Державний дорожній науково-дослідний інститут ім. М.П.Шульгіна, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шмуклер Валерій Самуїлович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій

кандидат технічних наук, доцент Журавський Олександр Дмитрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій

Провідна установа - Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра інженерних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне

Захист відбудеться 23.02. 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04. у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий 17.01. 2007 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. В.Г. Кобієв

АНОТАЦІЯ

Бабяк І.П. Втомна міцність арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01- будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2007.

Наведено результати випробувань статичним та багаторазово повторюваним навантаженням арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань.

Проведено аналіз механічних характеристик та втомної міцності експериментально встановлених для арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань і теоретично визначених для арматурного прокату класу А-ІІІ та його зварних з'єднань. Проаналізовано можливість використання параметрів акустичної емісії для теоретичного визначення втомної міцності арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань.

Запропоновано експериментальне визначення втомної міцності арматурного прокату та його зварних з'єднань за допомогою методу акустичної емісії.

Ключові слова: втомна міцність, багаторазово повторювані навантаження, акустична емісія, арматурний прокат.

АННОТАЦИЯ

Бабяк И.П. Усталостная прочность арматурного проката класса А500С и его сварных соединений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2007.

Диссертация посвящена исследованию усталостной прочности арматурного проката класса А500С и его сварных соединений в зависимости от режимов нагружения с использованием метода акустической эмиссии.

Проведен обзор и анализ трудов отечественных и зарубежных ученых, в которых изучалась усталостная прочность арматурного проката и его сварных соединений. Исследованы основные факторы, которые влияют на усталостную прочность. Показаны нормированные требования к усталостной прочности в стандартах на арматурный прокат в Украине и за рубежом. Приведены недостатки и преимущества профиля, механических свойств и способа изготовления арматурного проката класса А500С по сравнению с А-III с целью теоретически обосновать возможность применения его в конструкциях, подверженных воздействию многократно повторных нагружений (МПН).

Проанализирована возможность применения метода акустической эмиссии (АЭ) для исследования усталостной прочности арматурного проката и его соединений.

На основании требований к усталостной прочности арматурного проката, регламентированных ДСТУ 3760-98, была разработана программа комплексных исследований напряженно - деформированного состояния (НДС) арматурного проката класса А500С и его сварных соединений, которая включала:

1. Испытания статической растягивающей нагрузкой: цельных образцов Ш16 А500С - 12 штук, Ш14 А500С - 7 штук, Ш12 А500С - 10 штук, Ш12 А-ІІІ - 7 штук, стыковых и крестообразных сварных соединений стержней Ш12 А500С - соответственно по 12 штук для определения механических характеристик.

2. Испытания многократно повторяющейся нагрузкой: цельных образцов Ш16 А500С - 5 штук, Ш12 А500С - 12 штук, стыковых и крестообразных сварных соединений стержней Ш12 А500С - по 18 штук для определения усталостной прочности и построения полной кривой усталости.

В результате исследований установлены усталостные прочности цельных стержней арматуры, сварных соединений С1-Ко, К1-Кт при с=0,33 и построены для них кривые усталости. Для цельных стержней арматуры построена полная кривая усталости, из которой получены усталостные прочности в зависимости от коэффициента асимметрии цикла МПН в диапазоне -1<с<1. Исходя из этого, а также используя действующие нормативные документы, нормированы механические характеристики арматурного проката класса А500С через коэффициенты условий роботы, с которыми должны учитываться характеристики проката при расчете железобетонных конструкций при нагрузке МПН.

Установлены закономерности процесса излучения АЭ арматурным прокатом и его сварными соединениями в зависимости от режимов нагрузки и их связь с НДС.

Теоретически обоснована возможность оценки повреждаемости арматурного проката вследствие нагружения его МПН, анализируя записанное в процессе нагружения излучение АЭ.

С помощью фрактографической съемки поверхностей излома стержней, которые испытывались при разных режимах МПН, подтверждена кинетическая теория разрушения. Также зафиксированы отличия в изломах стержней у которых отличается излученная АЭ: от пластической деформации; от зарождения и развития трещин.

На основании закономерностей излучения АЭ в зависимости от режима нагружения МПН разработана методика диагностики арматурного проката и сварных соединений арматуры с использованием метода АЭ.

Для стыковых сварных соединений С1-Ко арматурного проката А500С через параметр АЭ построены тарировочные кривые для установления соответствия какой-либо партии-плавки арматурного проката заявленному классу А500С.

Ключевые слова: усталостная прочность, многократно повторяющаяся нагрузка, акустическая эмиссия, арматурный прокат.

SUMMARY

Babyak I.P. Fatigue strength of reinforced bars class A500C and its weld seams. - Manuscript.

Dissertation for earning of scientific degree of Candidate of Science in speciality 05.23.01- building structures, buildings and constructions. Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2007.

The results of tension test and high cycle fatigues of reinforced bars class A500C and their weld seams are presented. The analysis of determined experimental mechanical properties and metal fatigue of reinforced bars class A500C and theoretically determined mechanical properties and metal fatigue of reinforced bars А-III and their weld seams is made. The analysis of acoustic emission parameters usage possibilities for theoretical determination of fatigue of reinforced bars class A500C and their weld seams is made.

Experimental technique for determination of reinforced bars and their weld seams fatigue resistance by method of acoustic emission is proposed.

Key words: Fatigue resistance (fatigue strength), high cycle fatigues (HCF), acoustic emission, reinforced bars.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

арматурний прокат зварний міцність

Актуальність теми. Значна кількість залізобетонних конструкцій, що застосовуються у сучасному транспортному, промисловому, цивільному і гідротехнічному будівництві, у процесі своєї експлуатації піддаються багаторазово повторюваним навантаженням (БПН) з кількістю циклів, що вимірюється мільйонами, а для окремих конструкцій гідротехнічних споруд, і мільярдами. Відповідно до діючих нормативних документів, проектування таких конструкцій чи їх елементів передбачає виконання розрахунку на витривалість.

З 01.01.99 в Україні введений у дію стандарт на арматурний прокат для залізобетонних конструкцій - ДСТУ 3760-98, в основу якого покладені вимоги, встановлені в закордонних нормативних документах. Це, в значній мірі, сприяло виходу продукції металургійних підприємств України на світовий ринок.

В останні роки виконуються великі обсяги робіт з будівництва та реконструкції мостів та шляхопроводів на теренах держави, більшість конструкцій яких виготовлені з залізобетону. Виробники арматурних прокатів перейшли на виробництво нових класів арматури, які і використовуються для будівництва та ремонту споруд на шляхах сполучення. У цей же час, істотні відмінності у вітчизняній і закордонній технології виробництва і принципів проектування залізобетонних конструкцій вимагають проведення спеціальних експериментально - теоретичних робіт з адаптації арматурного прокату по ДСТУ 3760-98 до вітчизняної будівельної практики.

У рамках такої адаптації за завданням Держбуду України Технічний комітет зі стандартизації "Арматура для залізобетонних конструкцій" проводив експериментально-теоретичні дослідження і розробив "Рекомендації з застосування арматурного прокату по ДСТУ 3760-98 при проектуванні і виготовленні залізобетонних конструкцій без попереднього напруження", що поширюються на конструкції промислових та цивільних будинків і споруд.

Але на сьогодні в Україні недостатня нормативна база для регламентування застосування прокату класу А500С в конструкціях, які працюють на прикладання БПН. Не вистачає ґрунтовних досліджень втомної міцності прокату даного класу, на основі яких можна було б обґрунтувати можливість застосування такої арматури для конструкцій, які піддаються БПН. Тому необхідною була розробка аналогічних рекомендацій із застосування арматурного прокату за ДСТУ 3760-98 у залізобетонних конструкціях автодорожніх мостів, які мають суттєві особливості в роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Робота виконувалась відповідно до договору № 6854 від 01.09.2001 між НУ “Львівська політехніка” і ДП ТК з стандартизації “Арматура для залізобетонних конструкцій” у рамках роботи “Експериментально - теоретичні дослідження властивостей нових видів арматурного прокату з метою забезпечення їх впровадження в практику будівництва” (№ держреєстрації 01012003440). Автор брав участь у цій роботі як виконавець.

Мета роботи: встановити втомну міцність арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань і за результатами досліджень розробити рекомендації із розрахунку залізобетонних конструкцій з такими арматурними виробами та методику їх діагностування з використанням методу акустичної емісії.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

визначити механічні властивості арматури класу А500С шляхом статичних випробувань;

визначити втомну міцність суцільних зразків та зварних з'єднань арматури при БПН, застосовуючи різні режими навантаження;

на основі встановлених характеристик втоми розробити рекомендації з розрахунку залізобетонних конструкцій з арматурою класу А500С при БПН;

встановити характер зміни випромінювання акустичної емісії (АЕ) та зв'язок з напружено-деформованим станом (НДС) при різних режимах завантаження. Визначити при цьому, які з параметрів АЕ найбільш повно описують зміни НДС в процесі прикладання до них БПН;

розробити методику діагностики арматурного прокату класу А500С за допомогою методу АЕ.

Об'єкт дослідження - арматурний прокат класу А500С та його зварні стикові і хрестові з'єднання.

Предмет дослідження - втомна міцність арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань при БПН.

Методи дослідження - експериментально - аналітичний підхід при визначенні втомної міцності і врахуванні її при розрахунку залізобетонних конструкцій; використання аналітичних методів аналізу, в тому числі програмно-технічного забезпечення, методу АЕ для оцінки пошкоджуваності та прогнозування подальшої роботи арматурного прокату та зварних з'єднань арматури.

Наукова новизна роботи:

встановлена втомна міцність суцільних зразків та зварних з'єднань С1-Ко, К1-Кт при БПН арматурного прокату класу А500С відповідно ДСТУ 3760-98;

доведена можливість використання арматури та зварних з'єднань арматурного прокату класу А500С в конструкціях автодорожніх мостів;

нормовано механічні характеристики арматурного прокату класу А500С до умов роботи в залізобетонних конструкціях, які працюють на прикладання БПН;

теоретично обґрунтовано можливість оцінки пошкоджуваності арматурного прокату внаслідок прикладання до нього БПН, аналізуючи записане в процесі навантаження випромінювання акустичної емісії;

встановлено, що межу текучості арматури можна визначати методом акустичної емісії;

встановлено параметри випромінювання АЕ на стадіях роботи арматурного прокату А500С при багаторазово повторюваних навантаженнях;

розроблено методику діагностики арматурного прокату та зварних з'єднань арматури з використанням методу АЕ.

Практичне значення полягає у визначенні характеристик прокату, узагальненні, систематизації й аналізі результатів експериментально-теоретичних досліджень втомної міцності та розробці рекомендацій з розрахунку залізобетонних конструкцій з арматурою класу А500С при БПН. Результати роботи використано Державною службою автомобільних доріг України “Укравтодор” та Технічним комітетом з стандартизації ”Арматура для залізобетонних конструкцій” при розробці “Рекомендацій по застосуванню арматурного прокату по ДСТУ 3760-98 при проектуванні та виготовленні залізобетонних конструкцій автодорожніх мостів”.

Використовуючи розроблену методику діагностики арматурного прокату класу А500С за допомогою методу АЕ, за побудованими тарувальними кривими можна визначати характеристики витривалості арматури класу А500С через параметр E_N сигналів акустичної емісії, що значно зменшує час досліджень.

Особистий внесок здобувача:

- комплексні експериментальні дослідження суцільних стержнів та зварних з'єднань арматури арматурного прокату А500С по ДСТУ 3760-98 із використанням як традиційних методів дослідження, так і методу АЕ;

- теоретичне обґрунтування можливості оцінки пошкоджуваності арматурного прокату внаслідок прикладання до нього БПН, аналізуючи записане в процесі навантаження випромінювання акустичної емісії;

- розробка рекомендацій з розрахунку залізобетонних конструкцій з арматурою класу А500С при БПН;

- розробка методики діагностики арматурного прокату класу А500С за допомогою методу АЕ.

Дисертація містить лише ті наукові результати, які були отримані особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на IV і VI Українських міжгалузевих науково-практичних семінарах „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (НТУ, м. Київ, 25-27 червня 2002 р., 26-28 червня 2006 р.); 66-й Науково-практичній конференції в КНУБА (м. Київ, квітень 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми автодорожнього комплексу” (ДерждорНДІ, м. Київ, квітень 2006 р.); науково-практичних семінарах кафедри “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка”. В повному обсязі дисертація доповідалась на засіданні кафедри “Залізобетонні та кам'яні конструкції” КНУБА (м. Київ, березень 2006).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 статей в наукових фахових виданнях, що включені в перелік ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з переліку умовних скорочень, вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 146 найменувань та трьох додатків, що містять проміжні результати досліджень та матеріали впровадження проведених досліджень. Основний текст викладено на 144 сторінках, який ілюструється 32 рисунками, містить 35 таблиць, 13 сторінок списку використаних джерел і 23 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення в галузі будівництва.

Перший розділ розглядає сучасний стан проблеми дослідження. Вивченням витривалості металу та, зокрема, арматури для залізобетонних конструкцій займалося багато вітчизняних та іноземних вчених. Серед них Бать А.А., Бєлобров І.К., Берг О.Я., Вейбулл В., Велер Т., Вихлевщук В.А., Городницький Ф.М., Іванова В.С., Кваша В.Г., Кінаш Р.І., Кєдров А.І., Кирилов А.П., Клімов Ю.А., Лучко Й.Й. та ін. Багато з них вивчали вплив різних факторів на властивості витривалості: залежні від властивостей самої арматури (технологія виготовлення; конструкція профілю арматури, хімічний склад, механічні характеристики, діаметр прокату тощо) та пов'язані із характером роботи конструкції (вигин, центральний стиск або розтяг, позацентровий стиск або розтяг та ін.). У розділі проаналізовано теорії втомного руйнування, керуючись якими вчені описували явище втоми при БПН та визначено найбільш прийнятну теорію - вакансійну, яка дійсно відповідає процесам, що відбуваються в арматурі при прикладанні до неї БПН. Проаналізовано вимоги до арматурного прокату класу А500С у іноземних та вітчизняних нормативних документах.

Дотепер ведуться пошуки оптимальних хімічного складу, геометричного профілю та режимів обробки арматурного прокату, підбір властивостей якого дасть кращі характеристики роботи арматури при прикладанні БПН за умови мінімальних витрат на виготовлення. Відсутня також універсальна методика визначення характеристик втоми арматурного прокату, прийнятна для всіх видів прокатів. Визначення витривалості арматурного прокату, регламентоване ДСТУ 3760-98, вимагає проведення значних за обсягом експериментальних досліджень, які є тривалими в часі. Проте, існує метод акустичної емісії (АЕ), який може значно пришвидшити процес визначення витривалості, виходячи із вакансійної теорії руйнування.

Дослідженнями матеріалів із застосуванням методу акустичної емісії займались Андрейків А.Є., Апл Ф., Грешніков В.А., Демчина Б.Г., Лисак Н.В., Новіков Н.В., Скальський В.Р., Філоненко С.Ф., та ін.

Вченими в металах помічено два типи АЕ - квазінеперервну і дискретну. Квазінеперервна емісія пов'язана з процесами, які супроводжують пластичне деформування. Енергія пружних хвиль, що виникають при цьому, невелика. Енергія дискретних сигналів, що виникають в результаті стрибкоподібного росту і злиття субмікротріщин, приблизно на порядок вища. Аналізуючи випромінювання АЕ можна вирізняти процеси, які протікають в арматурному прокаті при заданому напружено - деформованому стані (НДС) та, за допомогою встановлених кількісних параметрів АЕ, визначати фактичний стан та прогнозувати подальшу роботу при певних вихідних навантаженнях арматурного прокату.

Другий розділ містить опис методики дослідження зразків арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань із використанням традиційних методів дослідження та методу АЕ.

Дослідними зразками для проведення досліджень витривалості були арматурні стрижні діаметром 12, 14, 16 мм класу А500С за ДСТУ 3760-98.

Вибір зразків по діаметру був обумовлений наступним:

діаметри 12, 14, 16 мм, як правило, є найменшими діаметрами робочої арматури, яка застосовується в конструкціях, що розраховуються на витривалість;

марка сталі Ст3пс, що застосовується для прокату діаметром 12, 14 та 16 мм характеризується мінімальним вмістом вуглецю і легуючих домішок у порівнянні з прокатом класу А500С інших діаметрів: 18-22 мм (Ст3Гпс), 25-32 мм (25Г2С, 20ГС), що негативно впливає на втомну міцність.

Програма комплексних досліджень арматурного прокату та його зварних з'єднань включала:

1.Випробування статичним розтягуючим навантаженням: суцільних зразків Ш16 А500С - 12 штук, Ш14 А500С - 7 штук, Ш12 А500С - 10 штук, Ш12 А-ІІІ - 7 штук, стикових та хрестових зварних з'єднань стрижнів Ш12 А500С - відповідно по 12 штук для визначення механічних характеристик.

2. Випробування прикладанням БПН: суцільних зразків Ш16 А500С -

5 штук, Ш12 А500С - 12 штук, стикових та хрестових зварних з'єднань стрижнів Ш12 А500С - по 18 штук для визначення втомної міцності та побудови повної кривої витривалості.

Характеристики міцності та витривалості арматурного прокату та його зварних з'єднань визначено згідно методик діючих нормативних документів. Випробування арматури статичним розтягуючим навантаженням проведено згідно методики ГОСТ 12004-81, на прикладання БПН - згідно вимог, регламентованих ДСТУ 3760-98.

Експерименти проведено на пульсаторах ZDM-10 та ЕUS-40 (рис. 1 а, б). Частота циклів прикладання БПН складала 14 Гц. При випробовуваннях вівся відлік кількості прикладених циклів БПН за допомогою лічильника, вмонтованого у корпус випробувальної машини. Електронний пристрій дозволив синхронізувати процес реєстрації сигналів АЕ з динамікою зміни навантаження на досліджуваний зразок.

Для вимірювання деформацій арматури по середині робочої зони зразка на підготовлену поверхню клеєм “циакрін” наклеювались тензорезистори з базою 20 мм.

Реєструючим пристроєм слугувала напівмостова вимірювальна схема приладу ЦТК-1. Паралельно використовували для вимірювання деформацій тензометри Гугенбергера на базі 20 мм. В процесі експерименту був проведений запис АЕ протягом всього часу випробування з використанням програмно - технічного комплексу (ПТК) “АКЕМ”.

Вибір типів захватів для проведення випробувань на витривалість здійснювався шляхом пробних випробувань на втому зразків із однієї плавки з різними типами захватів (загалом 11 типів захватів). Найбільш ефективним способом закріплення торців зразків у захватах випробувальної машини виявилася 3-шарова обмотка склотканиною з просоченням епоксидною смолою, твердіння якої проводилося за спеціально розробленим режимом.



Рис. 1. Випробування арматури класу А500С на розтяг та витривалість на пульсаторі ZDM-10 (а), схема випробувань (б):

1-арматурний стрижень; 2-тензодатчики; 3-тензометри Гугенбергера; 4-хвилевід; 5-п'єзокерамічний давач для запису сигналів АЕ; 6-захват розривної машини

При випробуваннях на БПН для побудови кривих витривалості було використано метод спадних навантажень. Метод полягає в тому, що випробування проводяться спадними навантаженнями, на кожному рівні випробовується по 3-6 зразків. У районі переходу лінії витривалості на горизонтальну ділянку додатково зразки не випробуються.

Для арматури класу А500С випробування проводилися із базою 2х10⁶ циклів прикладання БПН відповідно ДСТУ 3760-98. Приймався постійним коефіцієнт асиметрії циклу с, змінними - максимальне і мінімальне напруження циклу.

Зразки випробовувалися при с=0,2 та с=0,33. При таких значеннях с відбувається перелом повної кривої витривалості. Отримавши значення втомної міцності при таких с, за умови обмеженої кількості експериментальних результатів при інших значеннях с, є можливість побудувати повну криву витривалості арматурного прокату класу А500С з високою достовірністю отриманих результатів. Повна крива витривалості є основою для розробки системи коефіцієнтів умов роботи в залежності від коефіцієнту асиметрії циклу для врахування характеристик витривалості арматурного прокату класу А500С при розрахунку конструкцій на прикладання БПН.

Реєстрацію та аналіз сигналів АЕ проводили за допомогою ПТК “АКЕМ”під час завантаження зразків і під час їх витримки протягом 60-600 с. ПТК побудований на базі персонального комп'ютера з використанням технології “PCLabCard”. Підсилення сигналу АЕ здійснювали попереднім підсилювачем з чутливістю на вході 10 мкВ, частотним діапазоном 100-2000 кГц, коефіцієнтом підсилення 7090дБ і з динамічним діапазоном 4065 дБ.

Третій розділ містить результати випробувань арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань і А-ІІІ на розтяг, на основі яких побудовано діаграми напружень - деформацій, встановлено відповідність механічних характеристик нормативним документам для заявлених класів. Наведено результати випробувань арматурного прокату класу А500С та його зварних з'єднань на прикладання БПН при с=0,2 та с=0,33. Побудовано криві витривалості арматурного прокату класу А500С та його стикових і хрестових зварних з'єднань за дослідними даними і А-ІІІ та його стикових і хрестових зварних з'єднань теоретично згідно СНиП 2.03.01-84^* (рис. 2 а, б, в).

При виконанні експериментів був проведений металографічний аналіз, який показав наявність якісного виконання зварних з'єднань, що свідчить про достовірність отриманих результатів досліджень при прикладанні до зразків статичних та БПН.

Результати випробувань на міцність стикових зварних з'єднань С1-Ко 12 мм класу А500С показали, що руйнування всіх зразків зварних з'єднань відбувається в зоні термічного впливу (ЗТВ) і носить пластичний характер; розміцнення арматурного прокату при стиковому контактному зварюванні за результатами проведених випробувань склало 14...22%.

Результати випробування на міцність хрестоподібних зварних з'єднань типу К1-Кт 12 мм класу А500С показали, що руйнування більшості зразків відбувається по основному металу на відстані 40-200 мм від місця зварювання; руйнування відбувається неподалік або в ЗТВ, що свідчить про послаблення поперечного перерізу в місці зварювання; розміцнення арматурного прокату Ш12А500С при виконанні хрестоподібних зварних з'єднань не перевищувало 4%.

При навантаженні БПН зразків арматури Ш16 мм класу А500С при у_max=300 МПа та с=0,2 не встановлено межі витривалості арматури, однак значення довговічностей дослідних зразків дуже близькі до бази випробувань (2х10⁶ циклів БПН), що свідчить про близькість значення межі витривалості до 300 МПа. Після визначення механічних характеристик арматури класу А500С, зокрема у_y = 576,2-657 МПа, було прийнято значення межі опору втомі при с=1 для арматурних зразків даного класу, рівне значенню межі текучості, надане заводом-виробником (КГМК Криворіжсталь), яке становить у₁=570 МПа. Криві витривалості арматурного прокату класу А500С для суцільної арматури та зварних з'єднань С1-Ко та К1-Кт при с=0,33 свідчать про можливість використання її в конструкціях, де раніше застосовувалась арматура А-ІІІ та відповідні її зварні з'єднання (рис. 2).

Встановлено, що випромінювання АЕ описує внутрішні процеси в арматурі А-ІІІ та А500С, які відбуваються при статичному розтягу. Арматура А-III має однорідну структуру, пов'язану із технологією виготовлення. Арматура класу А500С, навпаки, неоднорідної структури (термомеханічно-зміцнений поверхневий шар). Це підтверджує фактографічне зображення поверхонь поперечних перерізів арматури цих класів. При навантаженні зразків арматурного прокату А-ІІІ відбувається рівномірне наростання параметрів сигналів АЕ (рис. 3). Випромінювання сигналів АЕ зразками арматурного прокату класу А500С характеризується “стрибкоподібним” характером наростання параметрів АЕ (рис. 4).



б в

Рис. 2. Графіки витривалості зразків класу А500С та А-ІІІ при с=0,33:

а - арматури; б - стикових зварних з'єднань С1-Ко; в - хрестових зварних з'єднань К1-Кт

Встановлено, що межу текучості арматури можна визначати за параметром сигналів АЕ. Таким параметром АЕ є Кр - зміна густини енергії сигналів АЕ. При статичному розтягу зразків арматурного прокату класу А500С при навантаженні 83-95% тимчасового опору реєструється спалах випромінювання імпульсної АЕ. Сигнали, що реєструються, мають значення Кр 46,5 (рис. 4). Поява сигналів з вказаними значеннями Кр при такому рівні навантаження характеризує появу текучості арматури.

Наведено та проаналізовано параметри акустико - емісійного випромінювання стикових зварних з'єднань С1-Ко зразків Ш12 мм арматурного прокату класу А500С при прикладанні до них БПН при с=0,33. Показано, що параметри сигналів АЕ змінюються при зміні параметрів режиму навантаження в циклі, а також при наростанні кількості прикладання циклів БПН.

Для одержання достовірних результатів експериментів наведено дані проведеної перевірки геометричних розмірів профілю та статистичної оцінки механічних характеристик арматурного прокату класу А500С, значення яких відповідають діючим нормативним документам.

Четвертий розділ містить обґрунтування можливості застосування арматурного прокату класу А500С за ДСТУ 3760-98 в конструкціях, які працюють на прикладання БПН на основі результатів проведених експериментальних досліджень та аналізу структури, геометричних параметрів, механічних характеристик та інших властивостей, регламентованих як в існуючих нормативних документах, так і встановлених чи сформульованих самостійно.

Розроблено рекомендації для застосування арматурного прокату класу А500С на основі порівняння побудованих повних кривих витривалості для арматури А-ІІІ, А-IV за СНиП 2.05.03-84^*, СНиП 2.03.01-84^* та арматури А500С за ДСТУ 3760-98.

Для визначення меж витривалості арматури класу А500С при різних режимах навантаження було побудовано повні криві витривалості для класів арматур, найближчих за своїми характеристиками до А500С. Арматурою таких класів в діючих нормативних документах є арматура А-ІІІ та А-ІV. Розрахунковий опір арматури цих класів на витривалість був визначений шляхом множення розрахункового опору арматури R_s на коефіцієнти умов роботи, які враховують коефіцієнти асиметрії циклу. На основі отриманих даних побудовано графіки залежності межі витривалості арматури А-ІІІ і А-ІV від коефіцієнту асиметрії циклу (рис. 5).

Повна крива витривалості арматури А500С будувалася на основі певних вихідних передумов:

СНиП 2.05.03-84* та СНиП 2.03.01-84* не містять значень (або формули розрахунку) розрахункового опору арматури класу А500С при БПН.

Точки на графіку для арматури класу А500С визначені на основі: а - експериментальних значень; б - теоретично, виходячи з даних, отриманих іншими дослідниками при визначенні характеристик витривалості подібних за своїми параметрами сталей до арматури класу А500С.

Рис. 5. Криві витривалості для арматури класу А500С, А-ІІІ та А-IV

Для аналізу використані сталі як звичайні будівельні, так і леговані. Розглянуті сталі 10ГН2МФА, сталь 3, сталь 35, сталь 40, сталь 60, сталь 06Х13Н7Д2, 08Х18Н10Т, 12Х2МФА, 12Х13, 14Х17Н22Ш, 30Х, 40Г18ЮЗФ, для яких межа витривалості при с = - 1 становить від 160 МПа до 390 МПа. Для арматури А-ІІІ згідно СНиП 2.05.03-84* та СНиП 2.03.01-84* вона становить 112 та 113 МПа відповідно. Тому, при побудові повної діаграми витривалості було прийнято мінімальне значення з подібних сталей для арматури класу А500С при

с = - 1: у_-1 = 112 МПа. Експериментально встановлено межу витривалості арматури класу А500С при коефіцієнті асиметрії циклу с = 0,33, що свідчить про можливість застосування арматури в діапазоні асиметрії ширшому, ніж А-IV. Це підтверджують результати випробувань прокату А500С при с=0,2, де не було встановлено межу витривалості, проте її значення близьке до 300 МПа.

Кут нахилу до горизонталі ділянки повної кривої витривалості для арматури класу А500С при с=0,33-1,0 та імовірного значення ділянки кривої при с=0,2-0,33 ближчий до аналогічної ділянки А-ІІІ, що також свідчить про кращі характеристики міцності А500С при БПН порівняно із A-IV.

Арматура класу А500С виготовлена з двофазної низьколегованої мало-вуглецевої сталі. В стрижнях є одночасно пластичний матеріал, який добре працює в області малих значень асиметрії циклу (с = -1 - 0,4) та зміцнений шар, який характеризується меншою пластичністю, проте кращими властивостями при навантаженнях з с > 0,4. Виходячи з цього, арматура А500С може мати значення межі втоми і при важчих режимах навантаження, аж до с = - 1. При цьому, вона може мати кращі характеристики витривалості вздовж всієї повної кривої витривалості (рис. 5).

На підставі встановлених механізмів втомного руйнування матеріалів найсуттєвішим фактором є процес нагромадження непружних пошкоджень внаслідок циклічних навантажень.

Залежність непружної деформації за цикл Де від числа циклів навантаження для матеріалів, які циклічно зміцнюються, має експоненціальну залежність. Припускаючи це, величина циклічних руйнівних напружень у_N в залежності від асиметрії циклу с буде мати також вигляд експоненціальної кривої.

При проведенні експериментальних досліджень були отримані механічні характеристики арматури класу А500С, які відповідають ДСТУ 3760-98.

Рис. 6. Повна крива витривалості арматури класу А500С, описана експоненційним законом

Проте вони не є найменшими можливими значеннями, які відповідають нормам. Тому необхідно врахувати зменшення величини механічних характеристик до її мінімально можливих допустимих значень. З цих міркувань прийнято межу текучості _у = 500 МПа. На основі цього, з врахуванням власних експериментальних даних і відомих результатів, встановлена залежність для визначення циклічних напружень у_N при асиметрії циклу с визначається за формулою:

 , (1)

де с - коефіцієнт асиметрії циклу.

На основі рівняння кривої побудовано повну криву витривалості для арматури класу А500С, описану експоненційним законом (рис. 6). З повної кривої витривалості арматури класу А500С визначено значення межі витривалості при будь-якому значенні коефіцієнту асиметрії циклу (таблиця 1). Відповідно до отриманих значень меж витривалості арматури класу А500С при значеннях - 1 < с < 1 визначено коефіцієнти умов роботи Є_сs, які враховують вплив на арматуру коефіцієнтів асиметрії циклу при БПН (таблиця 2). Проте, дані при с = - 1 - 0,2 можуть мати похибку та потребують експериментальних підтверджень при подальших дослідженнях.

Тому рекомендовано приймати коефіцієнти Є_сs для розрахунку залізобетонних конструкцій на прикладання БПН відповідно до таблиці 2.

Таблиця 1. Межі витривалості у_N, МПа при БПН арматури класу А500С

Вимагають уточнення
с	-1	-0,5	-0,2	-0,1	0	0,1
уN, МПа	112	161	201	217	233	252
За результатами досліджень
с	0,2	0,3	0,35	0,4	0,5	0,6	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	1
уN, МПа	271	293	304	316	341	368	397	412	428	445	463	500

Таблиця 2 Коефіцієнт Єсs при мінімальних значеннях механічних характеристик арматури

Вимагають уточнення
с	-1	-0,5	-0,2	-0,1	0	0,1
Єсs	0,22	0,32	0,4	0,43	0,46	0,5
Рекомендовано
с	0,2	0,3	0,35	0,4	0,5	0,6	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	1
Єсs	0,54	0,58	0,6	0,63	0,68	0,73	0,79	0,82	0,85	0,89	0,92	1

Теоретично обґрунтовано можливість оцінки пошкоджуваності арматурного прокату внаслідок прикладання до нього БПН за аналізом реєстрованого в процесі навантаження випромінювання сигналів АЕ. В основу теоретичних розробок було покладено положення кінетичної теорії міцності та дослідження, проведені Філоненком С.Ф.

При дослідженні граничних значень фізико-механічних характеристик арматурного прокату та встановлення відповідних їм параметрів АЕ при статичних випробуваннях була можливість постійного запису акустичної емісії протягом навантаження, включаючи руйнування. При навантаженні зразків БПН маємо значний час випромінювання сигналів АЕ, який відповідає часу навантаження зразка аж до його руйнування. Проте, як відомо і було підтверджено експериментально, арматура, яка зазнала впливу прикладання БПН, руйнується миттєво і крихко. При цьому рідко коли вдається отримати параметри АЕ, які б відповідали процесам утворення та розвитку макротріщини руйнування.

Виходячи з кінетичної теорії руйнування, при БПН немає потреби визначати граничні значення фізико-механічних параметрів та параметрів АЕ так, як це робилося при статичних випробуваннях. Достатньо фіксувати АЕ випромінювання протягом певного часу, який би був достатнім для виявлення залежностей параметрів АЕ від умов роботи арматури (зразка): рівня навантаження (напруження), швидкості завантаження (частоти циклів навантаження), коефіцієнту асиметрії циклу, кількості циклів та ін. Таким параметром, є, зокрема, накопичення енергії сигналів випромінювання АЕ.

Позначимо час до руйнування матеріалу ф_p, який визначається величиною постійної прикладеної до нього кількості циклів БПН N. При цьому, процес руйнування відбувається зі зростаючою швидкістю х, що залежить від коефіцієнту асиметрії циклу с, кількості циклів N, властивостей матеріалу і має самоприскорений характер розвитку. Якщо до матеріалу прикладати кількість циклів N₁ < N₂....< N_n, то х₁ < х₂ …<х_n а ф_p1 > ф_p2 …> ф_pn. Енергія сигналів АЕ залежить від швидкості руйнування (б₁ ~ х, де б₁ - локальна швидкість) і вона також визначається N (б₁~ N): чим більше N, тим більша б₁, а звідси, відповідно, тим більше значення сумарної енергії сигналів АЕ Е_с(N). Тому запишемо, що при N ₁ < N ₂ < N ₃...< N _n х₁ < х₂ < х₃ …< х_n

E_c (N₁) < E_c (N₂) < E_c (N₃) … < E_c (N_n). (2)

Тепер критерій руйнування, відповідно до кінетичного принципу підсумовування парціальних руйнувань щодо АЕ, формулюється у такий спосіб.

При кількості циклів, що змінюються в часі - довільній зростаючій послідовності кількості циклів N_i, кожній з яких відповідає сумарна енергія сигналів АЕ E_c(N_i), причому за час дії кожного прикладання кількості циклів збільшення енергії реєстрованого акустичного випромінювання складає Д E_i - повне руйнування відбудеться тоді, коли сума відносних приростів накопичуваної енергії стане дорівнювати одиниці:

(3)

Згідно (3) має зміст процес накопичення енергії сигналів АЕ, а не миттєвих її значень, обумовлених параметрами локальних руйнувань, що відбуваються в матеріалі протягом часу дії кількості циклів N_i, що підтверджується результатами експериментальних досліджень сигналів АЕ. При цьому, якщо під дією кількості циклів N_i відбуваються локальні руйнування матеріалу, супроводжувані випромінюванням сигналів АЕ, енергія яких складає ДE_i, то енергія, яка накопичується (УД E_i), повинна зростати, а її зміна буде визначатися кінетикою руйнування. Відповідно до виразу (3) оцінку небезпеки розвитку даних процесів можна проводити, слідкуючи за відносним приростом накопичуваної енергії сигналів АЕ у міру її зростання і наближення до одиниці. Прогнозування фізико-механічних характеристик матеріалів і виробів можливе, коли відомі граничне значення N_пр і E_cпр, які відповідають руйнуванню арматури (зразка) при досягненні ним бази випробувань, встановлено зв'язок між ними, а також, з врахуванням (3) встановлено залежність E_c (N_i), яка визначає кінетику процесу руйнування.

Отримані теоретичні результати добре узгоджуються з розробками, виконаними С.Ф. Філоненком.

Проведено фрактографічний аналіз поверхонь зламів арматурного прокату А500С та його з'єднань, що зазнали впливу БПН. Фотографування проведене для зразків, до яких застосовувались різні режими навантаження (змінювалося у_max при сталому с). Аналіз поверхні зламів, проведений після руйнування зразків за допомогою електронного скануючого мікроскопа „CAMSCAN” показав наступне: на поверхні зламів всіх зразків, незалежно від режиму навантаження в циклі, зруйнованих внаслідок прикладання БПН, видно тріщини втоми (рис. 7 а); зразки, які досягають бази випробувань мають поверхні зламів, на яких видно пластичні деформації (лінії Чернова-Людерса) (рис. 7 б); зразки з довговічністю, меншою від бази випробувань, на поверхні зламів або не мають слідів пластичної деформації, або ці деформації малі (в залежності від режиму навантаження).

Відповідно до цього, випромінювання АЕ від різних зразків інтерпретувалося як від пластичної деформації, так і від тріщин.

Виявлені характерні відмінності у випромінюванні сигналів АЕ зразків, навантажених при різних режимами БПН. Це дало можливість прогнозувати стан арматурних зразків, тобто визначати, яку кількість навантаження витримає до руйнування той чи інший зразок при певному режимі завантаження.



Рис. 7. Фрактографічне зображення поверхонь зламів зразків зварних з'єднань стрижнів Ш12 мм арматурного прокату класу А500С:

а - місце зародження втомної макротріщини руйнування в хрестовому з'єднанні ХР9; б - лінії Чернова - Людерса у всерединнозеренному руйнуванні зразка ВС9 стикового з'єднання

На основі аналізу описаних явищ та наведених теоретичних обґрунтувань розроблено методику діагностики витривалості арматурного прокату класу А500С за допомогою методу акустичної емісії. Застосування методики полягає у проведенні запису та аналізу АЕ при випробуванні прокату згідно ДСТУ 3760-98 для побудови тарувальних кривих на основі параметру АЕ та довговічностей (N_о) дослідних зразків, які випробовуються за різними режимами навантаження. При наявності тарувальних кривих для будь-якої іншої партії-плавки арматурного прокату можна спрогнозувати довговічності випробовуваних зразків при встановленому режимі навантаження аналізуючи величину параметру АЕ при прикладанні лише 50 тис. циклів БПН, чим встановлювати відповідність заявленому класу згідно ДСТУ 3760-98. Параметром, який характеризує пошкоджуваність зразка внаслідок навантаження є E_N (накопичення енергії сигналів АЕ при навантаженні БПН) відповідно до формули (3).

З використанням розробленої методики побудовано тарувальні криві для визначення витривалості арматурних зразків стикових зварних з'єднань С1-Ко А500С через параметр E_N акустичної емісії при 50 тис. ц. завантаження БПН.

ВИСНОВКИ

Огляд джерел, в яких визначалася втомна міцність арматурного прокату показав, що на даний момент немає нормативних документів та достатньої кількості експериментальних даних, які б давали можливість використовувати арматурний прокат класу А500С у конструкціях, які працюють на прикладання БПН. Методика випробувань арматурного прокату на витривалість вимагає проведення великої кількості експериментальних досліджень, на які витрачається значна кількість часу.

При випробуваннях арматурного прокату класу А500С Ш 16 мм на втому за ДСТУ 3760-98 не було встановлено межі витривалості при параметрах циклу у_max=300,0 МПа, у_min=60,0 МПа та с=0,2. Для арматури Ш12 мм встановлено межу витривалості при с=0,33: для суцільних зразків у_N = 300 МПа; для стикових зварних з'єднань С1-Ко у_N = 150 МПа; для хрестових зварних з'єднань К1-Кт у_N = 160 МПа.

Результати випробувань на міцність стикових зварних з'єднань С1-Ко 12А500С дозволяють констатувати: руйнування всіх зразків відбувається в ЗТВ і носить пластичний характер; зварні з'єднання арматурного прокату із вуглецевим еквівалентом Сек = 0,245% мали великі середні значення міцності і менший розмах у порівнянні зі зварними з'єднаннями прокату із вуглецевим еквівалентом Сек =0,346%; розміцнення арматурного прокату при стиковому контактному зварюванні за результатами випробувань склало 14...22%.

Результати випробування на розміцнення зварюванням хрестоподібного зварного з'єднання типу К1-Кт арматури класу А500С дозволяють констатувати: руйнування більшості зразків зварних з'єднань відбувається по основному металу на відстані 40 - 200мм від місця зварювання, що говорить про послаблення поперечного перерізу в місці зварювання; розміцнення досліджуваних з'єднань К1-Кт не перевищувало 4%; величина вуглецевого еквівалента на рівнях нижньої (С_е =0,245%) і верхньої (С_е = 0,346%) межі марочного складу сталі СтЗпс не зробила впливу на міцність досліджуваного прокату при виконанні з'єднань К1-Кт.

Арматурний прокат класу А500С по ДСТУ 3760-98 придатний для застосування в конструкціях автодорожніх мостів, які працюють на БПН, із застосуванням зварних з'єднань К1-Кт та С1-Ко.

Доведено, що при статичному розтягу зразків, поряд із відомими методами, за допомогою методу АЕ можна визначати межу текучості арматури.

Розроблено рекомендації з розрахунку залізобетонних конструкцій з арматурою класу А500С при БПН. В них запропоновано значення коефіцієнтів умов роботи Є_сs при розрахунку залізобетонних конструкцій на прикладання БПН із арматурою класу А500С для діапазону навантаження при 0,2 ? с ? 1, що дає змогу проектувати конструкції з врахуванням характеристик витривалості.

Запропоновано методику діагностики арматурного прокату класу А500С за допомогою методу АЕ. За даною методикою побудовано тарувальні криві для визначення характеристик витривалості зварних з'єднань С1-К₀ арматури класу А500С через параметр E_N сигналів акустичної емісії.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. П.М.Коваль, Б.Г.Демчина, П.М.Сташук, І.П.Бабяк. Акустична емісія арматурного прокату під час розтягу // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. - Львів: Каменяр, 2002. - Вип. 4. - С. 73-83.

2. П.М.Коваль, Б.Г.Демчина, П.М.Сташук, І.П.Бабяк. Дослідження з використанням методу акустичної емісії арматурного прокату для конструкцій мостів // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: НТУ, 2002. - Вип. 64. - С. 106-109.

3. Бабяк І.П. Оцінка витривалості арматурного прокату класу А500С з використанням методу акустичної емісії // Дороги і мости. - Київ: ДерждорНДІ

4. ім. М.П.Шульгіна, 2005. - Вип. 3. - С. 140-153.

5. КовальП.М., Бабяк І.П. Дослідження витривалості зразків арматури класу А500С// Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. - Львів: Каменяр, 2005. - Вип. 7. - С. 57-62.

6. Коваль П.М., Бабяк І.П. Міцність стикових зварних з'єднань зразків арматури класу А500С при багатократно повторюваних навантаженнях // Теорія і практика будівництва. - Львів, НУ “Львівська політехніка“, 2005. - Вип. № 545. - С. 103-108.

7. Коваль П.М., Бабяк І.П. Застосування арматурного прокату класу А500С по ДСТУ 3760-98 в конструкціях, які працюють на прикладання багаторазово повторюваного навантаження // Дороги і мости. - Київ: ДерждорНДІ ім. М.П.Шульгіна, 2006. - Вип. 6. - С. 181-191.

8. Коваль П.М., Бабяк І.П., Фаль А.Є. Використання методу акустичної емісії при дослідженні втомної міцності з'єднань арматури класу А500С // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - К.: НТУ, 2006. - Вип. 73. - С. 137-147.

9. Коваль П.М., Бабяк І.П., Фаль А.Є. Втомна міцність хрестових зварних з'єднань арматури класу А500С // Автошляховик України. - 2006. - № 2. - С. 44-46.

10. Коваль П.М., Бабяк І.П., Фаль А.Є., Сташук П.М. Акустична емісія стикових зварних з'єднань арматури класу А500С при дії багаторазово повторюваного навантаження // Будівництво України. - 2006. - № 4. - С. 7-13.

11. У роботах [1, 2] здобувач виконав експериментальні дослідження, брав участь у обробці та аналізі отриманих результатів. У роботах [4-9] здобувачем виконано експериментальні дослідження, обробку даних, побудову графіків, аналіз результатів, складання висновків.

Размещено на Allbest.ru

...