автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Хладостойкость фланцевых соединений стальных строительных конструкций при динамических нагрузках

РГО од

/ 8 ИЮН 1998

На правах -рукописи

ШАФРАЙ КОНСТАНТИН АНАТОЛЬЕВИЧ

ХЛАДОСТОЙКОСТЬ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена на кафедре металлических конструкций Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета

Научные руководители: - академик РЛАСН, доктор технических наук.

профессор В. В. Биршев

- кандидат технических наук, доцент С.Д.Шафрай

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

В.Е. Миренков

- кандидат технических наук, доцент В.С. Казарновский

Ведущая организация - ГПИ "Сибпроектстальконструкция",

г. Новокузнецк

Защита состоится "8"Мк)ЯЯ 1998г. в часов на заседании диссертационного совета К.064.04.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, учебный корпус, аудитория 406

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАСУ.

Автореферат разослан "6"ма$ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

А. А. Кользеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на большой прогресс в создании хладостойких конструкций, проблема хрупкой прочности при низких температурах окончательно не решена. Об этом свидетельствуют аварии конструкций с хрупким разрушением элементов, происходящие по сей день, в зимний период, особенно при их динамическом нагруже-нии. Анализ аварий показал, что фактор динамического воздействия присутствует в 20% случаев хрупких разрушений, которые происходят при монтаже и эксплуатации конструкций, особенно в сооружениях относящихся к 1-ой группе по условиям работы, согласно СНиП 11-23-81*, а также в крановых металлоконструкциях. Расчеты хрупкой прочности элементов стальных конструкций, подверженных динамическим воздействиям, выполняемые по существующим методикам, имеют ряд недостатков. Для строительных металлоконструкций, с учетом особенностей их эксплуатации и монтажа, фактор динамической, ударной нагрузки остается до сих пор недостаточно изученным, что не позволяет определять температурные границы хрупкого разрушения.

Эта проблема актуальна, в том числе, и для фланцевых соединений на высокопрочных, предварительно затянутых болтах, как эффективного и перспективного вида болтовых монтажных узлов, решению которой посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнялась как часть научно-исследовательской работы кафедры металлических конструкций Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета в рамках научно-технической программы "Архитектура и строительство" Госкомитета по высшему образованию Российской Федерации.

Цель работы. Определить хладостойкость фланцевых соединений при динамических нагрузках, и установить максимальное повышение критических температур для элементов стальных конструкций от эксплуатационных ударных воздействий с разработкой алгоритма расчета хрупкой прочности.

Задачи исследования.

1. На основе анализа отказов стальных строительных конструкций определить основные параметры динамических воздействий и оценить смещения критических температур в реальных условиях.

2. Разработать физическую модель снижения хрупкой прочности

при воздействии динамических нагрузок и низких температур.

3. Теоретически исследовать для фланцевого соединения соотношение энергий изменения формы и объема, влияющего на вид разрушения.

4. На основе экспериментальных исследований крупноразмерных образцов установить влияние ударной нагрузки и температуры на прочностные и деформационные свойства элементов конструкций с телевидными концентраторами и фланцевых соединений в зависимости от толщины и марок сталей.

5. Дать алгоритм расчета динамической прочности при низкой температуре для исследованных конструктивных форм.

6. По результатам проведенных исследований определить величины смещения критических температур при воздействии динамических нагрузок и дать рекомендации по назначению этих величин в расчетах строительных металлоконструкций на хрупкую прочность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены максимальные границы параметров динамического воздействия (энергии и времени удара), возможного при эксплуатации стальных строительных конструкций.

2. Для стальных элементов получено соотношение энергий изменения формы и объема, имеющее периодический характер в ударных волнах деформаций, индуцирующее процессы вязкого, либо хрупкого разрушения.

3. Определены теоретические зависимости запаса пластичности (относительного утонения в зоне зарождения разрушения) для интервала температур квазихрупких разрушений.

4. Предложена физическая модель для определения величины повышения критических температур в стальных элементах при действии динамических нагрузок, и установлено максимальное повышение критических температур стальных строительных конструкций для условий эксплуатации с динамическим нагружением.

Практическая значимость.

1. Предложена методика расчета хрупкой прочности при низких температурах и динамических нагрузках с учетом известной статической хладостойкости для стальных элементов строительных конструкций.

2. Развит алгоритм расчета хрупкой прочности фланцевых сое-

динений с учетом марки стали и толщины проката и распространен на случай динамического нагружения, что позволяет рекомендовать такие монтажные узлы для элементов первой группы по условиям эксплуатации (группа по СНиП I1-23-81*) при температурах до -60°С.

3. Даны рекомендации по назначению величин повышения критических температур в расчетах на хрупкую прочность элементов стальных строительных конструкций для случая действия динамических нагрузок на эти конструкции при эксплуатации.

4. Указанная в первом пункте методика, позволяет уменьшить трудоемкость и стоимость лабораторных исследований хладостойкости различных конструктивных форм за счет проведения испытаний только при статическом нагружении.

Реализация исследований. Результаты диссертации, которая выполнялась в рамках научно-технической программы "Архитектура и строительство" Госкомитета по высшему образованию Российской Федерации по темам: "Разработка теоретических основ и методики применения деформационного критерия для оценки хрупкой прочности стальных конструкций" (1993г.), "Совершенствование методов расчета хрупкой прочности элементов стальных конструкций, подверженных воздействию динамических нагрузок" (1994-1997гг.), переданы в виде отчетов в Головной научно-технический совет этой программы.

Новосибирскому филиалу ОАО НШШ "Промстальконструкция" переданы для использования рекомендации по расчету хрупкой прочности фланцевых соединений при низких температурах эксплуатации, подверженных воздействию динамических нагрузок ударного характера, а так же методика расчета динамической прочности элементов стальных строительных конструкций по известной статической хладостойкости и указания по корректировке критических температур в расчетах на хрупкую прочность при наличии фактора динамической нагрузки.

Апробация работы. Основные части диссертации были доложены на научно-технических конференциях НГАСУ (Ранее НГАС) - Новосибирск - в 1993-1997гг; на международном научно-техническом конгрессе "Молодежь и наука - III тысячелетие" в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 1996г. (получен диплом II степени); на VI украинской научно-технической конференции "Металлические конструкции" в 1996г.(Киевский университет строительства и архитектуры, Николаевский сельскохозяйственный институт). Полностью работа доложена в декабре 1997г. на научном семинаре кафедры металлических конс-

трукций НГАСУ, и в марте 1998г. на научном межкафедральном семинаре секции строительных конструкций НГАСУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Диссертация изложена на 266 листах и включает 149 страниц машинописного текста, 101 рисунок, 23 таблицы. Список использованных источников представлен в количестве 133 наименований, из них 11 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе классификации нагрузок, изменяемых во времени, указан исследуемый вид динамических воздействий. Дан обзор основных подходов и некоторых работ по исследованию динамической прочности. С позиций влияния скорости нагружения на смещение критических температур рассмотрены результаты некоторых экспериментальных работ. Отмечены некоторые особенности и недостатки, касающиеся учета динамических воздействий в инженерных методиках расчета на хрупкую прочность. Обоснован выбор конструктивных решений для проведения эксперимента и сделан обзор работ, посвященных изучению прочностных свойств фланцевых соединений. Сформулированы цель и задачи исследования.

Изучению влияния низких температур на хрупкую прочность посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых (Балдин В.А., Губайдулин Р.Г., Еремин К.И., Ларионов В.В., Маху-тов H.A., Мельников Н.П., Потапов В.Н., Сильвестров A.B., Черепанов Г.П., Зут В., Кихара X., Николе Р.В., Холл У.Дж. и др.).

Согласно существующей градации большинство случаев ударных воздействий на строительные металлоконструкции при монтаже и эксплуатации относятся к низкоскоростным ударам (скорость тела при ударе м/с, десятки м/с) высокой и средней интенсивности (когда ударяющее тело может считаться недеформируемым, или когда доли энергии поглощенной конструкцией и ударником сопоставимы).

С.Д. Шафрай получил, что при растяжении стального элемента, развитие разрушения в элементарных объемах по вязкому либо хрупкому типу будет зависеть от отношения накопленной в них энергии формоизменения Wd к энергии изменения объема Wv. Так, если уро-

вень энергии формоизменения достигает своего предельного значения Wdc раньше, чем уровень энергии изменения объема WVc * своего, то характер разрушения будет вязким; при обратном соотношении -хрупким.

Эти условия можно представить в следующем виде: хрупкое разрушение -

Wv=Wvc, Wd<Wdc, или k0=wd/wviwdc/wvc; (l)

вязкое разрушение -

WV<WVC. Wd=Wdc. или k0=Wd/Wv>Wdc/Wvc- (2)

Для строительных сталей в области естественных низких температур величина Wdc/Wvc^l. Условия (1) и (2) использовались в дальнейших исследованиях.

Поскольку при переходе от статического к динамическому наг-ружению повышаются критические температуры Ti и Тг. то были проанализированы величины смещения этих температур ATj и ЛТг по работам отечественных и зарубежных ученых (Александрова С.И., Бакши O.A., Баско Е.М., Викулина A.B., Горбачева В.И., Махутова H.A., Разова И.А., Саррака В.И., Даля В., Херцберга Р. и др.).

Из сопоставления результатов этих исследований друг с другом следует вывод о том, что величины смещений критических температур имеют существенный разброс (от 0 до 90°С).

В соответствии со СНиП 11-23-81* проверка на прочность с учетом сопротивления хрупкому разрушению ведется по формуле:

örnax^ßRuTc/lui (3)

где бщах - наибольшее номинальное растягивающее напряжение в расчетном сечении элемента, $ - расчетный коэффициент, отражает снижение прочности в зависимости от конструктивной формы, марки стали и климатического района строительства, Ru - расчетное сопротивление стали по временному сопротивлению. ru - коэффициент надежности по временному сопротивлению, тгс - коэффициент условий работы.

Влияние динамических нагрузок эта методика предполагает учитывать путем отнесения таких конструкций к 1-ой группе по условиям эксплуатации (табл.50* норм), то есть косвенно, выбором марки стали для конструкции. В нормах нет определения Ti и Тг. как температурных границ интервала квазихрупких разрушений и формула (3) устанавливает запас прочности без оценки запаса вязкости.

В целях совершенствования расчетов на хрупкую прочность раз-

работано руководство ЦНИИПСК им Н.П.Мельникова.

Значение критических температур Ti и Т-г' предполагается определять по эмпирическим формулам с учетом температурных поправок, обусловленных влиянием различных факторов на хрупкую прочность. Так, влияние динамических нагрузок, предлагается учитывать увеличением критических температур: Ti - на 20°С, Tz - на 40°С.

Подобный подход к определению критических температур предлагается Махутовым H.A. Запас.прочности по критическим температурам хрупкости Ti к Тг назначается директивно:

ДТ1(ЛТ2)-Тэ-Т1(Т2)>20+40°С, (4)

где Т8- температура эксплуатации. Больший из указанного запаса относится к элементам сварных конструкций сложных геометрических форм, подвергающихся при эксплуатации действию статических, циклических и динамических нагрузок. Возможно, что подобный запас прочности по критическим температурам оправдан для машиностроительных конструкций, которые в процессе работы непосредственно воспринимают, значительные ударные нагрузки. Однако, такая же величина температурной поправки для строительных стальных конструкций вызывает сомнение, поскольку для них нет систематизированных исследований, направленных на решение этого вопроса.

Величины максимально возможного повышения критических температур от эксплуатационных динамических воздействий ударного, импульсного характера будут у элементов, имеющих самые нехладостойкие конструктивно-технологические решения. Поэтому, кроме моделей фланцевых соединений, для экспериментального изучения были выбраны образцы с щедевидными концентраторами, имеющие основные общие признаки- конструктивных форм пониженной хладостойкости (высокая концентрация напряжений, сварные швы и остаточные сварочные напряжения у концентраторов) и обладающие наиболее благоприятным для хрупкого разрушения расположением трешдаоподобных щелей (с точки зрения коэффициента интенсивности напряжений по сравнению с другими типами надрезов).

Изучению работы фланцевых соединений на высокопрочных болтах посвящены исследования Бажанова A.B., Биршева В.В., Глаубермана В.В., Грудева И.Д., Каленова В.В.. Катюшина В.В., Мартынчука В.Д., Одесского Л.Д., Соскина А.Г., Като В., Макгайера В., Танаки А., а также других ученых.

В работе Бажанова A.B., в которой была исследована хладос-

тонкость фланцевых соединений при статическом нагружении, за критерий пластичности материала фланца принято раскрытие фланца и по оси действия растягивающей нагрузки и для температур Т < Т1, оперируя безразмерными величинами и/их, предложено соотношение:

и/и1=(и'/и1)В1, где вН---• (5)

I х

где и, их - раскрытие фланцев при Т< Тп, и при Т= Т1 соответственно, р - коэффициент; и=и', Т=Т' - точка внутри температурного интервала Т2<Т<Та. В указанной выше работе расчет на хрупкую прочность фланцевого соединения для статического случая нагруже-ния сведен к формуле (3). В этой формуле

3=(и/и1)°:5[1-0.51п(и/Ц1)], (6)

а напряжения во фланце определяются следующим образом:

бтах=М п/Ип, (7)

где М=уРг1ег - изгибающий момент в околошевной зоне единичной полоски фланца; Р^ часть внешней нагрузки, приходящаяся на эту полоску; V- коэффициент, учитывающий схему работы фланца; 1ег -расчетный пролет фланца; Ип^п/б - момент сопротивления единичной полоски фланца; Тс~ коэффициент условий работы фланца. Расчетный пролет:

1ег=1г-1г-1.3кг-0.5с1в, (8)

где 1г- расстояние между осями болтов; толщина присоединяемого элемента; с!в- диаметр болта; Кг - катет сварного шва (рис.1). Коэффициент V находится обратным счетом из условий равенства напряжений б^х расчетному сопротивлению стали фланца по пределу текучести - РУп. Тогда

У=!?упИп./Рг1еГ, (9)

причем 0.125<у<0.25.

Выражение (6) для коэффициента 8 предоставляет возможность комплексной оценки влияния различных факторов хрупкого разрушения через такую характеристику пластичности, как раскрытие фланцев. Поэтому раскрытие фланцев, как критерий пластичности стали соединения, был применен при изучении влияния динамических нагрузок на хрупкую прочность фланцевых узлов. Далее в главе сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе на основе анализа отказов стальных конструк-

в)

(Ч

к

«с 2

1=12; (&;25

(С345)

стык гшстин

I I I) »■ 11 I > I I г

1г

1 600

ФРСЗСРОВАННЫМИ ТОРЦАМИ БЕЗ СВАРКИ

■М1 III

600

5)

2-2

(п. и-2 О

^.К САМОПИСЦУ I

"Х-У ЙЕСогаЕг" 3\

{- ТЕН20РЕЖТ0РЫ ('ПУНКТИРОМ НА ОБРАТНОЙ СТОРОНЕ ОБРАЗЦА)

2-ААТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ 3 - УПОР |

А ~ ТЕНЗОРЕЗИСТОР

УЛАР

I*

ш

высокопрочные

БОЛТЫ М24

гпта

..3

^=80-

120

с

о 8

[т

$

ю

о

^

од см

сГ см

и

Рис.1. Крупноразмерные образцы для испытаний:

а) пластины с щелевидными концентраторами;

б) модели фланцевых соединений

ций с хрупким разрушением элементов, исследовано негативное влияние фактора динамической нагрузки на прочность. При этом, оценено смещение критических температур в различных конструктивных решениях при ударе и установлены условия и основные параметры динамического нагружения для строительных металлоконструкций.

Теоретически показана принципиальная возможность реализации выбранных критериев хрупкого разрушения при распространении волн деформаций даже в тех точках, где нет влияния геометрического концентратора напряжений. Предложена теоретическая модель снижения хрупкой прочности при воздействии динамических нагрузок и на ее основе оценены величины смещений критических температур. Получено уравнение, связывающее критические температуры с величиной радиуса концентратора напряжений и толщиной элемента.

Автором была продолжена работа над картотекой отказов кафедры металлических конструкций НГАСУ, содержащей сведения о более чем 350 случаях хрупкого разрушения элементов стальных конструкций, произошедших на 220 объектах. В результате картотека была дополнена более, чем ста случаями разрушений конструкций. Анализ показал, что такой фактор, как динамическая нагрузка, присутствует в 20% случаев хрупкого разрушения (69 аварий из 350) и в 60% случаев таких разрушений, произошедших при эксплуатации 1-й группы конструкций. Были построены температурные распределения числа случаев разрушения в зависимости от конструктивной формы, марки стали и толщины проката и обнаружено, что центры этих распределений смещаются в область положительных температур, при переходе от статического нагружения к динамическому, максимум на 5-10°С.

Чтобы оценить величину энергии или импульса динамической нагрузки, были рассмотрены случаи динамического воздействия при погрузке и разгрузке, транспортировании и на монтаже (боковые колебания в плоскости наименьшей жесткости конструкций, удары при отрыве от земли и установке в проектное положение, удары монтажным инструментом), проанализированы рабочие характеристики различных крановых механизмов. Рассмотрены варианты, когда возникают максимальные динамические усилия в элементах конструкций эксплуатируемых промышленных зданий и сооружений (в промышленных зданиях оборудованных мостовыми и подвесными кранами, в транспортерных галереях). Определено, что величина энергии, которая может быть передана конструкции в результате динамического воздействия на

нее, в подавляющем большинстве случаев не превышает при эксплуатации бООДж, и 900Дж на монтаже. Почти для всех случаев разрушений во время эксплуатации величина статической нагрузки была меньше расчетной, причем 90% всех этих случаев связаны с особенностями эксплуатации конструкций и лишь 10% произошли в результате внешних непредвиденных воздействий.

Рассмотрены случаи реализации критерия хрупкого разрушения (1) при распространении волн деформаций в результате динамического нагружения конструкции, а так же здесь были оценены значения коэффициента стеснения пластической деформации к^

к1=(0.5Г(1-П1)2-К1-П2)2+(П2-П1)2]Г0-5. (Ю) где 111=62/61, 112=63/61- отношения главных нормальных напряжений. Для этого были исследованы решения уравнений динамики упругого тела. При распространении волны расширения в сплошной изотропной среде Ко=0.65. Здесь К1=1.69. Для волн Релея получено решение, согласно которому вблизи от поверхности элемента существует область, где в определенные моменты времени Ко<1. Здесь Ко.пип=0.163, а Ki.max~2.45. Для плоских продольных волн в пластинке Ко=2.93 и К!=1.12. Установлено, что вследствие волнового процесса деформирования происходит периодическая смена во времени величин Ко и к,. Коэффициент Ко может принимать значения как больше, так и меньше 1. В реальных конструкциях картина будет намного сложнее из-за сложения прямых и отраженных от поверхности элемента волн деформаций их дисперсии и искажения и не поддается математическому описанию. Однако вследствие волнового процесса деформирования в каждом конкретном месте будут периодически реа-лизовываться условия как благоприятные для пластической деформации, так и способствующие хрупкому разрушению.

Получены зависимости, которые в области температур квазихрупких разрушений связывают между собой относительное утонение в зоне зарождения разрушения толщину элемента I и величину радиуса концентратора напряжений г:

Применив для оценки температурных границ Тх и Тг интервала квазихрупких разрушений деформационный критерий, предложенный С.Д. Шафраем, - относительное утонение 41=10% и +2=2%. - получены ли-

Ф=С1+С2Т, 4=Сз+С2Т-С4а/г), или Т=С5+СбО:/г) (при 4=сопзи.

(11) (12) (13)

нейные зависимости для температур Ti и Та от отношения t/r. статистическая обработка экспериментальных данных показала хорошую согласованность формул (11+13) с точками, соответствующими натурным испытаниям.

Составив уравнение энергетического баланса для элементарного объема V в месте начала разрушения и приняв, что основная тепловая энергия выделяется вязко разрушаемой частью этого объема <¡>-V, а энергия удара в место начала разрушения доставляется волнами упругой деформации, получено, что для строительных малоуглеродистых сталей смещение первой критической температуры в результате динамического воздействия на конструкцию, ÜTi=Tifl-Tic, будет в пределах 4*7К, а второй, ДГ2=Т2д-Т2с.- в пределах 20К (Tic,T2C. ТЧд.Тгд- критические температуры при статическом нагружении и при наличии динамических воздействий соответственно). Более надежные сведения о величинах этих смещений дали испытания крупноразмерных образцов.

В третьей главе разработана методика испытаний крупномасштабных моделей с динамическим инициированием разрушения, отражающая основные параметры и условия ударного нагружения строительных металлоконструкций, и описан эксперимент, в результате которого установлена величина смещения критических температур при наличии ударной нагрузки для образцов с щелевидными концентраторами.

Крупноразмерные образцы для эксперимента показаны на рис.1. Это пластины 170x1200мм, толщиной 25, 18 и 12мм из стали С345. Концентраторами являются две боковые щели длиной до 35мм, шириной г=0.01*0.5мм, расположенные симметрично с двух сторон, по середине длины образца и перпендикулярно его продольной оси. Щель образуется в результате примыкания друг к другу строганными торцами двух боковых пластин, которые приварены к центральной пластине продольными стыковыми швами с разделкой кромок. Для выявления фактора динамической нагрузки проводились испытания двух групп образцов: без ударного воздействия и с ударом. Всего было испытано 28 штук образцов общей массой около 1т.

В результате технико-экономического анализа различных средств испытаний и способов задания динамической нагрузки, в качестве оборудования для эксперимента была применена разрывная гидравлическая машина ЦДМ-200 в сочетании с дополнительным устройством в виде механического ударного приспособления - копра маятникового

типа. Для охлаждения образцов использовалась система с применением паров жидкого азота, разработанная и успешно используемая уже в течении многих лет на кафедре МК НГАСУ.

После установки образца в захваты разрывной гидравлической машины ЦДМ-200 (максимальное разрывное усилие 1700кН) он охлаждался до нужной температуры. При испытаниях только со статическим нагружением образец после охлаждения доводился до разрушения.

При выборе методики проведения испытаний с динамическим воздействием были учтены результаты анализа отказов. Она охватывает большую часть области возможных состояний эксплуатируемых строительных металлоконструкций по величине энергии удара и уровню статических напряжений на этот момент. После охлаждения образец растягивался до нагрузки, при которой номинальные растягивающие напряжения достигали 80Z от предела текучести стали. Затем, не снимая нагрузки, маятниковым копром наносился удар перпендикулярно продольной оси, в плоскости наибольшей поперечной жесткости образца через специальный боек в виде круглого стержня 033мм с плоскими торцами. Энергия удара задавалась путем отклонения копра на определенный угол и была равна бООДж. В момент удара боек по всей площади одного своего торца контактирует с поверхностью молота, а другим торцом - с боковой гранью образца. Грань при необходимости предварительно шлифовалась для обеспечения максимально возможной площади соприкосновения, чтобы местные напряжения в зоне контакта не превышали предел упругости и была упругая передача энергии удара на образец. Схема оборудования для испытаний показана на рис.2. Для измерения деформаций, возникающих при ударе, применялись тензорезисторы фольговые КФ, с базой 10мм, наклеенные на образце при помощи цианакрилатного клея (рис.1). Датчики подавали сигнал на светолучевой осциллограф Н071.1. и производилась запись колебаний деформаций на фотобумагу.

После удара на короткое время (~1мин) открывалась крышка низкотемпературной камеры, производился визуальный осмотр образца и замер обнаруженных трещин при помощи штангенциркуля и ручного микроскопа с ценой деления 0.01мм. За время осмотра образца, его температура поднималась обычно не более, чем на 5*7°С. Затем, если образец в момент удара не разрушался полностью, непродолжительным охлаждением температура корректировалась и дальше производилось его статическое растяжение вплоть до разрушения.

6 - змеевик с отверстиями,

7 - криогенный шланг, 8 - сосуд Дьюара, 9 г нагревательный элемент, 10 - переменное сопротивление, II - термопара

Рис.2. Схема оборудования для испытаний

Результаты испытаний даны в виде областей, внутри которых расположены экспериментальные точки (рис.3). Область для номинальных разрушающих напряжений бп при динамическом нагружении и температуре Т>243К имеет в 2-4 раза большую ширину, чем при статическом нагружении, и охватывает сверху и снизу эту статическую область. Данный факт объясняется тем, что динамическое воздействие может как способствовать возникновению хрупкого разрушения в результате повышения в зоне концентрации напряжений коэффициента Ki и снижения коэффициента Ко<1 (в зоне концентрации образуются хрупкие трещины - очаги разрушения, величина разрушающей статически приложенной нагрузки снижается, иногда разрушения происходят во время удара), так и создать благоприятные условия для возникновения пластической деформации (Kq>1, коэффициент Ki уменьшается а напряжения разрушения бп возрастают на 10-15% по сравнению с испытанием без ударных нагрузок). При Т<233К границы для областей бп примерно совпадают. Поскольку при температурах квазихрупких разрушений справедливо соотношение (И), то границы областей для ф на рис.3 были даны в виде прямых, соединяющих крайние экспериментальные точки. При увеличении температуры, области для ф расширяются, причем для испытаний с ударом значительно больше. Смещение правой границы области для ф в результате динамики составило около 20К при Ф=2Z, а при 4=10% - около 10К. Смещение левой границы области в результате динамического нагружения составило примерно 12К при ф=Ю%.

В результате осциллографирования установлено, что при ударе, в образце возникают изгибные напряжения, по своему значению примерно в 1.5 раза больше статического предела текучести.

Анализ зависимостей ф от t/r для экспериментальных точек показал, что величины критических температур Та и Тг прямопропорци-ональны отношению t/r (отклонение от уравнений типа (13) не более 2%) как при статическом нагружении, так и при нагружении с ударом. Сравнение этих линейных зависимостей при t/r=const дало, что ДТ1<10К, а ДТ2<12К.

В четвертой главе на основе численного эксперимента установлены места во фланцевом соединении, опасные с точки зрения возникновения хрупкого разрушения при динамических нагрузках. Описаны испытания фланцевых соединений с ударным нагружением при низких температурах, в результате которых для этих соединений опре-

0,0 - Ь = Д, Д - t = i8 мм, □ ,0 — t =25 ММ <3>-РАЗРУШЕНИЕ ПРИ УДАРЕ, ГРАНЩЫ ОБЛАСТИ ЗКСПЕРИМЕН-

ТЛ/ШНЫХ ТОЧЕК ПРИ ИСПЫТАНИЯХ:

■СТАТИЧЕСКИХ----, ,

С УДАРОМ - . ]/

8 'Статическое нагржни£-=~7|Сг

СВЕШЕ ФИГУРЫ, ИСПЫТАНИЯ С УДАРОМ -ТЕМНЫЕ /

/

Рис.3. Результаты испытаний образцов с щелевидными концентраторами

делены величины критических температур и повышение этих температур по отношению к статическому нагружению.

В результате расчета методом конечного элемента получено распределение напряжений и деформаций во фланцевом соединении, по которым были определены величины коэффициента Ко- Выявлено две зоны в которых реализуется условие (1). Одна - в поперечном сечении присоединяемой пластины выше сварного шва (Ко.мт=0.37). Другая зона расположена во фланце у корня сварного шва (Ко.мт= =0.41). Опасность хрупкого разрушения для зоны у корня сварного шва выше, поскольку эта зона включает в себя участок фланца, работающий на растяжение в направлении толщины (поперек проката). Этот вывод подтверждается натурными испытаниями.

Крупноразмерные модели фланцевого соединения для натурных испытаний (рис.1) были выполнены подобными тем, которые исследовались при статическом нагружении и представляли собой два Т-образных фланца, соединенных между собой четырьмя высокопрочными болтами М24 из стали 40Х "Селект" исполнения "ХЛ". Продольный элемент во всех случаях выполнен из стали С345 толщиной 20мм. Он присоединялся к фланцу угловыми сварными швами. Затяжка болтов осуществлялась при температуре 293К динамометрическим ключем с гидравлическим манометром, тарированным по моменту закручивания гайки. Величина предварительного натяжения болтов у всех образцов Рьь=250кН. Фланцы были изготовлены толщиной 12, 14, 20 и 28мм из стали С345 и С255. Образцы были разбиты на серии в зависимости от марки стали и толщины фланца. Всего испытано 43 образца общей массой свыше 1.5т.

Методика проведения эксперимента аналогична изложенной выше. Удар наносился при нагрузке равной 80% от расчетной. За расчетную принималась нагрузка, соответствующая минимальному значению несущей способности составляющих элементов образца (сварные швы, фланец, пластина, болты). Несущая способность сварных швов и фланца определялась по методике ВНИПИ "Промстальконструкция". Дополнительно в ходе испытания замерялось раскрытие фланцев и при помощи двух П-образных датчиков перемещений, закрепленных к боковым граням пластин на расстоянии 40мм от поверхности фланца с двух сторон образца и двухкоординатным самописцем вычерчивалась диаграмма "нагрузка-деформация". Результаты испытаний приведены на рис.4.

За первую критическую температуру Т1Д серии образцов прини-

---ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ(БЕЗ УДАРА)

Точки И СПЛОШНЫЕ ЛИНИИ — ИСПЫТАНИЯ с УДДРОМ.

0',Ъ,е~12: Ти=260К,Тгл=202К Д>=2о: Ти=263К,Т2Д=2/2К

□,1^=28: Ъа-2Ш, ?гд=2/6К

ОЛг^:Ти=26/К, Тгл=2вК ЛМ=20: Т,Д=264К, Ъа=2Ш П.Ьг28: Гм=262К, Тгл=2М

№ 2 3 233 253 273 293 Ш 2(3 233 253 273 293

Рис 4. Результаты испытаний образцов фланцевых соединений: Рр- разрушающая растягивающая нагрузка; ир- раскрытие фланцев в момент разрушения

малась такая, при которой разрушающая нагрузка статического растяжения образца Рр была максимальной. За вторую (Тгд) - температура, ниже которой образцы работали упруго вплоть до разрушения. Она определялась по диаграмме "нагрузка-деформация".

Испытаниями было установлено, что снижение хрупкой прочности в результате динамического воздействия, по отношению к статическому нагружению, в интервале температур квазихрупкого разрушения, составляет не более 5-20%. При первой критической температуре снижение хрупкой прочности по отношению к испытаниям со статическим нагружением не превышает 3-5%.

Основными зонами при разрушении фланцевых соединений были следующие: по сварным швам; по границе сплавления шва с фланцем; разрушение фланца по околошевной зоне; чашеобразный вырыв фланца. При температурах ниже Тад разрушение как правило происходило по фланцу. Поэтому хладостойкость соединения определяется хрупкой прочностью фланца. После удара, при температурах ниже Т1Д, в отдельных случаях, наблюдались хрупкие трещины длиной до 30мм, в результате чего несущая способность соединения снижалась. Иногда полное разрушение происходило во время удара (при температурах, близких к Тгд). Для стали С355 при температурах, близких к Т2д, опасность чашеобразного вырыва металла фланца при разрушении выше, чем для фланцев из стали С255.

При ударном воздействии, амплитуды изгибных волн деформаций во фланце меньше в 1.5*2 раза, чем в образцах в виде пластин с боковыми щелевидными концентраторами напряжений. Это объясняется тем, что образцу фланцевых соединений из-за конструктивных особенностей менее жесткие на изгиб.

В результате удара величина ДТ1 получилась 9*11К, а ДТг= =12*19К. Температура Т1Д слабо зависит от марки стали фланцев. Т1Д=260*264К. Для фланцев из стали С255 с увеличением толщины от 12 до 28мм температура Тгд возрастает от 202К до 216К. Для фланцев из стали С345 Т2д=213*216К.

В пятой главе проведена обработка экспериментальных данных для фланцевых соединений и элементов с трещиноподобными концентраторами напряжений, определены зависимости хрупкой прочности от температуры.

В результате обработки экспериментальных данных для фланцевых соединений по формулам (5,6) получены расчетные значения ко-

эффщиента Для этих формул по специальной программе на ПЭВМ, методом нелинейной регрессии с использованием алгоритма Маркуард-та определялись экспериментальные точки (Т, и'), показатель степени р и п (вместо 0.5) при которых коэффициент корреляционного отношения Rcr.N имеет наибольшее значение. Этот коэффициент в формулах (5,6), в зависимости от серии, получился в пределах 0.88+0.98. В интервале температур Тад+Тгд. расчет с учетом хрупкого разрушения фланцевых соединений элементов первой группы •конструкций предложено проводить по формулам (3,7-9). как и при статическом нагружении, но с заменой коэффициента г на зд.

Рекомендовано повышать для элементов стальных строительных конструкций при наличии динамических воздействий первую критическую температуру на 10К, а вторую на 2QK по отношению к статическому нагружению.

Предложен алгоритм расчета динамической прочности элементов стальных строительных конструкций в дополнение к существующей методике расчета хрупкой прочности при статическом нагружении.

Согласно этому алгоритму динамическая прочность конструктивной формы определяется если известна хрупкая прочность при статическом нагружении (зависимость снижения пластических свойств от температуры (11), критические температуры Tic (Ф1»10%) и Тгс (42=2%) и коэффициент вс).

ßc=U/4-l)n-f 1-1п(4-1/ф)П3 - (14)

Тогда уравнение для ф при динамическом нагружении будет иметь следующий вид:

Ф=»с*1 + с'гТ. (15)

Коэффициенты в формуле (15)- находятся из граничных условий: Тад = Tic + 10К, <И10£,

Т2д = т2д + 20К, (16)

После определения зависимости (15) коэффициент &д для интервала температур Ти+Тгд вычисляется по формуле (14). Показатель степени п в формуле (14) находится из условия: 6p=Ry, при ф=2%. как и в случае статического нагрулсения. Окончательно расчет проводится по формуле (3).

CW

icl

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа аварий установлено, что 20% всех случаев хрупких разрушений и около 60% таких отказов при эксплуатации первой группы конструкций происходят при наличии фактора динамического воздействия, в результате которого элементу конструкции, имеющему в этот момент статическую нагруженность, как правило, меньше расчетной, передается энергия не превышающая 600+900Дж за время 0.0014с. Действие указанного фактора увеличивает температуру при . которой происходит хрупкое разрушение в среднем не более, чем на

10К.

2. Получено, что при распространении волновых деформаций в в результате ударного воздействия, в любом месте конструкции, даже там, где отсутствует влияние геометрического концентратора напряжений, могут рёализовываться следующие два условия, периодически сменяющие друг друга во времени:

- первое, способствующее возникновению хрупкого разрушения;

- второе, благоприятствующее пластическому деформированию и вязкому разрушению.

Какое Из них окажет решающее действие на вид разрушения, зависит от температуры.

При температуре ниже первой критической преобладает влияние первого условия (у концентраторов напряжений образуются хрупкие трещины, снижается сопротивляемость хрупкому разрушению и иногда полное разрушение происходит в момент удара); выше первой критической - второго условия (статическая прочность элемента конструкции может возрасти на 10+15% по сравнению с эксплуатацией без динамических нагрузок.

3. Определено, что на интервале температур квазихрупких разрушений запас пластичности, характеризуемый относительным утонением (ф) в зоне зарождения разрушения, прямопропорционален отношению толщины к радиусу концентратора элемента (t/r) и температуре. Действенность такой зависимости при статическом и при динамическом нагружениях была доказана натурным экспериментом на крупноразмерных образцах с щелевидными концентраторами.

4. Теоретически получено, что во фланце под сварными швами существует локальная зона, в которой реализуются условия, благоприятные для хрупкого разрушения.

5. Для фланцевых соединений с фланцами толщиной от 12 до

30мм из сталей С255-С345, при наличии динамического воздействия:

- первая критическая температура составляет 263К, а вторая -

213К;

- при температурах ниже первой критической за прочность соединения в целом отвечает фланец;

- определены коэффициенты снижения хрупкой прочности в в зависимости от запаса пластичности, характеризуемого раскрытием фланцев под нагрузкой, в результате чего развита методика расчета хладостойкости и распространена на случай динамического нагруже-ния;

- рекомендуется применять в качестве материала для фланцев сталь С255, С345 или другие низколегированные стали с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката.

6. Для стальных элементов строительных конструкций на основе деформационного критерия пластичности (относительного утонения ф) разработан алгоритм расчета динамической прочности при низких температурах по известной статической хладостойкости.

7. В результате теоретических и экспериментальных исследований наиболее нехладостойких натурных образцов с щелевидными (тре-щинообразными) концентраторами установлено, что максимальное повышение критических температур элементов стальных конструкций при эксплуатационных динамических нагрузках ударного характера составляет:

- 10К для первой критической температуры;

- 20К для второй критической температуры.

Данные смещения рекомендуется назначать в расчетах на хрупкую прочность элементов стальных строительных конструкций, подверженных воздействию эксплуатационных динамических нагрузок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шафрай К. А. К оценке влияния динамических нагрузок на хрупкую прочность стальных строительных конструкций//Изв. вузов. Строительство.-1993. -N5,6. -С.104-107.

Z. Бирюлев В.В., Шафрай К.А. Работа фланцевых соединений при низких температурах и поперечной ударной нагрузке// Изв. вузов. Строительство.-1995. -N5,6. -С.18-23.

3. Шафрай С.Д., Шафрай К.А. Термодинамическая оценка хладос-

тонкости стальных элементов//Изв. вузов. Строительство.-1995. - N7.8,- С.3-9.

4. Шафрай С.Д., Шафрай К.А. Модель хрупкого разрушения при ударе//Изв. вузов. Строительство. -1996. -N7. -С.129-133.

5. Шафрай С.Д., Шафрай К.А., Сергеев A.B. Реализация критериев хрупкого разрушения для фланцевого соединения при наличии поперечной ударной нагрузки//Изв. вузов. Строительство. -1996. -N12. -С14-19.

6. Шафрай К. А. Оценка влияния динамического нагружения на хрупкую прочность стальных конструкций//Строительные конструкции и расчет сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции (часть 1). НИСИ,- Новосибирск, 1993.- С11-12.

7. Шафрай К.А. Экспериментальное исследование хрупкой прочности моделей с концентраторами напряжений при низкой температуре и динамическом воздействии/УСтроительные конструкции и расчет сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции (часть 1). НГАС.- Новосибирск, 1994.- С10-11.

8. Бирюлев В.В., Шафрай К.А. Работа фланцевых соединений в условиях ударного нагружения и низких температур//Строительные конструкции и расчет сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции. НГАС.- Новосибирск, 1995.- С5-6.

9. Шафрай С.Д., Шафрай К.А. Хрупкое разрушение стальных элементов конструкций при ударе//Строительные конструкции и расчет сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции (часть 1). НГАС.- Новосибирск, 1996.- С8.

10. Шафрай К. А. динамическая прочность фланцевых и сварных соединений//Строительные конструкции и расчет сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции (часть 1). НГАС.-Новоскбирск, 1997,- С9-10.

11. Шафрай С.Д., Шафрай К.А. Хрупкие разрушения стальных конструкций в экстремальных условиях//Тезисы докладов VI украинской научно-технической конференции "Металлические конструкции". Киевский университет строительства и архитектуры, Николаевский сельскохозяйственный институт.- Киев, Николаев, 1996,- С.27.

12. Шафрай К., Шафрай С. Модель хрупкого разрушения при уда-pe//YSTM'96:"Молодежь и наука - третье тысячелетие". Труды международного конгресса. Т.2/Под ред. И.Б. Федорова, К.С.Колесникова, А.О.Карпова.- М.:НТА АПФН, 1997. - С."11-58.