Работа стальных элементов и конструкций с трещинами. Живучесть инженерных конструкций, имеющих трещины

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 693.814.25

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Работа стальных элементов и конструкций с трещинами. Живучесть инженерных конструкций, имеющих трещины

В.В. Семенов Семенов Валерий Васильевич, кандидат технических наук, профессор кафедры сопротивления материалов и строительной механики, e-mail: 665057@mail.ru, А.Ю. Тихонова Тихонова Анна Юрьевна, студентка 2 курса группы СОПЗб-15-1 Института архитектуры и строительства,

Основным требованием к инженерной конструкции является обеспечение ее несущей способности на протяжении заданного срока эксплуатации. Решение этой задачи предусматривает при проектировании проведение прочностных расчетов по всем возможным случаям выхода конструкции из строя в процессе эксплуатации.

Непредвиденный и внезапный выход из строя ответственных строительных конструкций и сооружений при сравнительно невысоких напряжениях заставляет серьезно подойти к проблеме хрупкого разрушения.

Обследования эксплуатируемых металлических конструкций (мостов, газгольдеров, корпусов кораблей и т.д.) показывают, что в их материале всегда присутствуют дефекты типа пустот или трещин [1]. Эти трещины могут измеряться как микрометрами, так и сантиметрами и даже десятками сантиметров (при макроразмерах) в зависимости от масштаба конструкции. Анализ хрупких разрушений конструкции показывает, что в очагах изломов всегда имеются начальные трещины, которые зарождаются задолго до полного разрушения. Следовательно, разрушение не является единовременным актом. Оно развивается с большей или меньшей скоростью и представляет собой некоторый иногда длительный процесс. Его можно образно сравнить со смертью человека, причиной которой могут быть разного рода травмы и болезни.

Трещины могут возникать в элементах, ослабленных ржавчиной, поврежденных при транспортировании, монтаже или эксплуатации, испытавших сильный нагрев, подвергавшихся холодной правке, а также в металле элементов с содержанием недопустимого количества серы или фосфора.

Кроме того, с течением времени металл приобретает хрупкость, и увеличивается его холодноломкость.

Дефекты стальных конструкций и их соединений возникают в результате ошибок проекта, низкого качества стали и металлопроката, неудовлетворительного контроля при их изготовлении, низкого качества монтажных работ.

Природа и причины образования холодных трещин

Холодные трещины объединяют категорию трещин в сварных соединениях, признаками которых являются появление визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения; блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления. Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Размеры холодных трещин соизмеримы с размерами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясняется частичным снятием напряжений при образовании трещин, а также ограниченностью зон сварного соединения, в которых возможно развитие трещин без дополнительного притока энергии от внешних нагрузок.

Характерными особенностями большинства случаев возникновения холодных трещин являются следующие:

1. Наличие инкубационного периода до образования очага трещин.

2. Образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.

Эти особенности позволяют отнести холодные трещины к замедленному разрушению материала.

К образованию холодных трещин при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы.

При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образоваться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Трещины возникают в процессе охлаждения после сварки при температуре ниже 150 °С или в течение последующих нескольких суток. Холодные трещины могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва. Место образования и направление трещин зависят от состава основного металла и шва, соотношения компонентов сварочных напряжений и некоторых других обстоятельств. В практике холодные трещины в соответствии с геометрическими признаками и характером излома получили определенные названия: «откол», «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» (рис. 1). Наиболее частыми являются холодные трещины вида «откол».

Рис. 1. Холодные трещины в сварных соединениях легированных сталей: 1 - «откол»; 2 - «частокол»; 3 - «отрыв»; 4 - продольные в шве

Образование холодных трещин начинается с возникновения очага разрушения, как правило, на границах аустенитных зерен на околошовном участке, примыкающих к линии сплавления (рис. 2).

Рис. 2. Межкристаллитный характер разрушения на участке очага холодной трещины (А) и смешанный на участке ее развития (В)

Протяженность очагов трещин составляет несколько диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое. Это позволяет отнести холодные трещины к межкристаллическому хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер [2, 4, 8].

Выявление трещин

Применяют разнообразные способы выявления трещин в металле. Рассмотрим основные из них - содовый, травление поверхности металла реактивами, меловой.

При содовом способе место предполагаемого расположения трещин очищают от загрязнений и обильно смачивают 10-15-процентным раствором соды. После высыхания поверхность протирают чистой тряпкой. На поверхности отчетливо проступают трещины вследствие проникновения в них соды. Волосные трещины этим способом не выявляются.

Травление поверхности металла реактивами. Места с выявленными единичными трещинами, а также сомнительные места обрабатывают наждачным камнем или напильником и тщательно шлифуют наждачной бумагой. После этого их протравливают реактивом «Фри» (25 см³ спирта, 4 см³ концентрированной соляной кислоты, 30 см³ воды, 5 г кристаллической хлористой меди), или реактивом «Ниталь» (24 см³ концентрированной азотной кислоты, 19 см³ спирта), или персульфатом аммония (10 г персульфата аммония, 90 см³ воды). После травления трещины делаются значительно темнее и заметнее на отшлифованной поверхности.

При меловом способе выявления трещин в металле поверхность после обработки наждачным камнем или напильником и шлифования наждачной бумагой протравливают 14-процентным раствором серной кислоты и обильно смачивают керосином. Через 20-25 мин керосин насухо вытирают тряпкой, а поверхность покрывают меловой краской, разведенной в воде, которой дают высохнуть. После этого поверхность обстукивают с обратной стороны молотком массой 0,5 кг. Контуры поверхностных трещин из-за наличия в них керосина имеют вид темных жилок на окрашенной мелом поверхности. Сквозные трещины можно выявить, нанеся на нижнюю сторону поверхности меловую краску и смочив верхнюю сторону керосином [3, 7, 9].

Методы устранения трещин и усиление конструкций

Дефекты и повреждения элементов в виде трещин в основном металле или на сварных швах устраняются путем заварки трещин, вварки вместо дефектного места нового металла, приварки усиливающих накладок, усиления конструктивного элемента способом наращивания.

Во всех случаях должны быть приняты меры, препятствующие дальнейшему распространению обнаруженных трещин путем рассверловки отверстий в концах трещин. Дефектные места в стенках балок и колонн удаляются посредством вырезки в них прямоугольного с закругленными углами, трапециевидного или круглого отверстий, по высоте и ширине на 100 мм больше относительно размеров дефектного участка. Затем в указанное отверстие вваривается вставка с сечением, равным поврежденному элементу. Кромки металла по линии реза отверстия после ручной кислородной или воздушно-дуговой резки подлежат механической обработке абразивным инструментом.

Соединение деталей усиления с существующими конструкциями рекомендуется, как правило, выполнять ручной электродуговой сваркой.

Сварные швы малой толщины усиливают путем увеличения существующего сварного шва или длины швов крепления элемента.

Новые сварные швы на существующих конструкциях следует располагать в наименее напряженных сечениях, как можно дальше от мест изменения сечения, вырезов, креплений ребер и других элементов. Швы следует располагать симметрично относительно главных осей с минимальным удалением от центра тяжести конструкций.

В усиливаемых под нагрузкой растянутых элементах конструкций следует избегать сварных швов, располагаемых поперек действующих усилий.

При исправлении повреждений в нагруженных элементах должны быть приняты меры предосторожности:

- общая устойчивость конструкции во время восстановления отдельных ее элементов должна быть обеспечена временными дополнительными связями;

- сварка швов должна производиться небольшими участками;

- при ремонте, сопровождаемом вырезами и правкой металла, необходимо все усилие, воспринимаемое элементом, передавать на временные дополнительные элементы.

Участок, поврежденный трещинами, вырезается по высоте и ширине с отступом 100 мм в каждую сторону от дефектного места (рис. 3, а).

Вырез усиливают с помощью вставки или накладки. Вставки ввариваются с использованием подогрева (рис. 3, б). При этом по двум кромкам должен быть зазор 2-4 мм [1, 3, 5, 6].

Заключение

Проблема обрушения зданий и сооружений стоит перед человечеством с древнейших времен (вероятно, с момента возникновения строительства). Она нашла отражение даже в народных сказках: каждому с детства хорошо известны истории о разрушенных домиках поросят и о теремке. Удивительно, но сущность этой проблемы мало изменилась с тех давних времен: «Затрещал теремок, упал набок и весь развалился. Еле-еле успели из него выскочить…»

Рис. 3. Ремонт элементов стальных конструкций: 1- трещина; 2 - граница дефектного участка; 3 - линия реза; 4 - место подогрева

Меняются в основном масштабы происшествий. В настоящее время проблема обрушения зданий и сооружений является одной из наиболее актуальных. В результате процесса урбанизации происходит увеличение объемов строительства, что, в свою очередь, приводит к росту техногенных нагрузок на строительные объекты. Нередко приходится слышать в средствах массовой информации такие фразы, как «под завалами погибли…» или «в результате обрушения…». Свежи в памяти такие трагедии, как разрушение торговых центров в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г., обрушение крыши бассейна «Дельфин» в Пермском крае 4 декабря 2005 г. (причиной второго случая оказалась ошибка инженера).

Разрушение происходит в результате развития реальных дефектов, и при оценке прочности нужно учесть имеющиеся в материале трещины и определить их влияние на нее. Каждая трещина в несущей конструкции имеет свою причину, и при строительстве сооружений важно знать, когда и почему началось разрушение материала.

Библиографический список

1. Гроздов В.Т. Усиление строительных конструкций при реставрации зданий и сооружений. СПб.: ООФ «Центр качества строительства», 2005. 114 с.

2. Основные виды повреждений металлоконструкций / В.С. Квагинидзе, В.А. Козлов, А.А. Мансуров, Н.Н. Огородникова. М.: МГГУ, 2003. 164 с.

3. Обследование и испытание сооружений: учеб. для вузов / О.В. Лужин, А.Б. Злочевский, И.А. Горбунов, В.А. Волохов; под ред. О.В. Лужина. М.: Интеграл, 2013. 263 с.

4. Мансуров В.А., Огородникова А.А. Влияние сварных швов на надежность металлоконструкций горного оборудования. М.: МГГУ, 2003. 84 с.

5. Никифоров И.Г. Методическое пособие для разработки рекомендаций по оценке состояния, восстановления и усиления стальных металлических конструкций промышленных зданий и сооружений. Нерюнги, 2005. 132 с.

6. Чупейкина Н.Н., Никифоров И.Г. Выбор методов восстановления и усиления металлоконструкций // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского государственного горного университета. Отдельный выпуск. 2006. Якутия-1. 245-254 с.

7. Методы дефектоскопии сварных соединений: учеб. пособие для энергетических, энергостроительных специальностей / В.Г. Щербинский, В.А. Феоктисов, В.А. Полевик [и др.]; под ред. В.Г. Щербинского. М.: Машиностроение, 1987. 336 с.

8. Природа и причины образования холодных трещин (XT) [Электронный ресурс]. URL: http://www.metiz-krepej.ru/svarka/priroda_prichiny_obrazovanija_holodnyh_treshhin.html (26.04.2017).

9. Выявление трещин [Электронный ресурс]. URL: http://www.stroitelstvo-new.ru/remont-kotelnyh/vyyavlenie-treschin.shtml (26.04.2017).

Размещено на Allbest.ru