автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Хладостойкость нахлесточных сварных соединений из парных уголков с фасонками

рг ь ид

\ о АПР 4»995

ГОйУД4Р(ЯВШ1Ш KtMtt'Kl' КО ШОШШУ ОБРАйОаийШ ЮОШОКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКАЯ ГОйУДАКПШИЦЯ

кк&тт сжмитсш

Ito Ирана! p/Koiui'-M

СШ'Ш АЛЕКСЕЙ ЫЦДИОЛАВОШЧ

УМ 6Ü4.ÜUMf¿

ииШйтлпг шмшятш сын m соьцишши

ИЗ EAMliiX yi'OJÎKOB О ФАСОНШИ UuâtUiàJllHûûît Ü&.23.01 - СгроитеЛЫШй конструкции,

здытя а сооруийния

ABtOptíiiíipüf • дииьсфтицш «а соискание ученой сшшам канцидата технических наук

líi/bUCil<1tl]№K 1ЭЭБ

Работа выполнена не ксфодро металлических конструкций Ново сибирской государственной акаламтт строительства.

Научннй руководитель - кандидат теютчпгких паук, донеят

С. Д. Шафрай

Официальные оппоненты - доктор технических наук, член корр. гаао

Я. И. Ольков (ЛТУ)

. - кандидат технических наук, допент В. С. Казарновский (СибГАПС)

Ведущая организация - проекттШ институт

"СйЛфОЭКТСТаЛЬКОНСТруКЦИЯ", Г. НОРОКУ31ЮШС

Защита состоится "СЛ" апреля 1995г. в 15 часов на засадани диссертационного совет» К 064.04.01 в Новосибирской государствен ной академии строительства по адресу: 63000В, г. Новосибирск, ул Ленинградская, 113, учебный корпус, аудитория 406.

С диссертацией шгоо ознакомиться в библиотеке ЮС.

Отзнв на автореферат в двух экземплярам заверенный печать« просим направлять в адрес дассертвцкогагого совета.

Автореферат разослвй "2 Г марта 1995г.

Учйннй секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

у'

.Кш' - А-д-Кольз?ев

н?

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТЫ

лкгуми«ост1» теш. Большая часть территории России расположена в районах с суровым климатом, где здания и сооружения со стальным каркасом подвержены воздействию нианих климатических температур при монтаже и эксплуатации конструкций. При атом известно, что снижение температуры наряду с такма факторами как концентрация напряжений, воздействие сварки (остаточные напряке-ния и охрупчиванив стали в зоне термического влияния), даяамичес-кое нагружанш нередко приьодит к хрупкому разрушению сталлшх аламентов при уровне напряжений намного шив расчётного. Внезапность и катастрофичность такого вида разрушения, как правило, наносит существенный ущерб.

Многочисленные исследования и разработки, посвященные -проблеме повышения надёжности стальных конструкций, шсидуагируемых в условиях низких естественных температур, практический опыт проектирования, изготовления и монтажа, накопленной из анализа отказов (аварий) позволили сформулировать требования к производству ь возведению, а также основы расчёта таких конструкций, включенные в норма проектирования стальных конструкций С!ВД1 11-23-81*.

Предлагаемый зтиш нормами метод раечйта прочности алемеятоь стальных конструкция с учйтом хрупкого разрушения имеет ряд противоречий, охватывает неоольшое количество конструктивных форм и не дай? по ним полных сведений. Метода, дополняющее нормативный, также нуждаются в совершенствовании.

Следует особо подч&ркнуть отсутствие общепринятого критерия оценки склонности стали к хрупкому разрушат®.

Из собранных на кафедра металлоконструкций НГ40 (ранее НИСИ) проф. А. В. Сильвестровым и его учениками более трехсот пятидесяти случаев отказов стальных конструкций с хрупким разрушением элементов доля решётчатых конструкций (ферм) составляет почта половину всех отказов. Дополнительней анализ 1£б случаев хрупкого разрушения эламентов показал, что из таких разрушений треть приходится на узлы, где используется наовегочноэ соединение уголков на Фасопке. Яисмотря на пояЕяешв новых конструктивных решений, этот тип соединений является шшхдоэ распространенным (в том числе, в районах с суровым климатом) и применяется, гламшч образом, в решётчатых системах (фер».и, опорч ЛЭП, крановые конструкции и т.к.).

Дашшо и рекомендации по расчету нахлвсеочюого соединения

3

парных уголков с фасонной с учётом сопротивляемости хрупкому раз рушению, представленные в упашшашахся нормах, неполны и на выв о? достаточного теоретического и экспериментального обоснования.

Диссертационная работа выполнялась как часть научно-исследовательской работы кафедры металлических конструкций Новосибирской государственной академии строительства в рамках научно-технической программы "Строительство" Госкомитата но высшему образованию Российской Федерации.

Цель работ. Разработка предложений по повышению хладостой-иости нахлйсточных соединений из парных уголков на фасонках, в такха уточнение их расчёта иа хрупкую прочность.

Задачи исследования.

1. Теоретически и экспериментально исследовать сопряжение уголков на фасонке как конструктивную форму низкой хладостойкос-ти при варьировании конструктивно-технологических и геометрических параметров;

2. Проверить на различных модификациях данной конструктивной Форш действенность деформационного критерия оценки первой и второй критических температур по относительному утонению в зоне зарождения разрушения. Получить уравнения» определявадае зависимости етой величины от толвдшц и температуры соединяемых элементов;

3. Экспериментально установить зависимость мэвду критическими температурами хрупкости крупноразмерных моделей и соответствующими температурами стандартных образцов при испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78. Разработать методику проверки прочности нахлЗсточных соединений из парных уголков на фасонках, учитывающую запас пластичности в зоне зарождения разрушения и включающую возможность пересчета критических, температур такого узла при переходе к сталям с иной хяадостойкостьв;

4. Предложить практические рекомендации по повышение надбк-кости нахлйсточного сварного соединения уголков на фасонке при низких температурах эксплуатации.

Научная ыовиаии работы заключается в следующем:

1. При испытаниях ее разрыв в широком диапазоне низких температур получены характеристики разрушения сварного нахлбсточиого соединения уголков на фасонке при различных конструктивных особенностях, геометрических параметрах и марках сталей;

2. Разработана теоретическая модель разрушения и методика определения запаса пластичности в элементах стальных конструкций

А

(по относительному утопвнию ф в зоне зарождения разрушения) в зависимости от различных факторов хрупкого разрушения;

3. По объвмним полям напряжений (полученным методом конечны* элементов) во всех элементах нахлЭсто'Шого соединения уголков на фасонке внчислепн распределения основных, в также новых характеристик, отражавших склошюсть элемента конструкции к хрупкому разрушению:

4. Измерены величины нагрева исследованного соединения вблизи зоны 38ро*у(9ния разрушения при различных видах ггоследного. Рвзруиащиа напряжения, вычисленные по формуле (подученной па основе вышеупомянутой модели разрушения), которая использует величину нагрева п остаточное утонение при разрушении, коррелируют с экспериментальными разрушениями напряжениями, что подтверждает адекватность теоретической модели исследуемому явлению;

5. Разработана методике проверки сварного нахлЭсточного сое-данения парных уголков с фасонной на хругкую прочность, учитывающая запас пластичности в зоне зарождения разрушения и фактическую хладостойкость стали.

6. Разработаны рекомендации для повышения надежности работы указанного соединения при низких температурах эксплугтации.

Практическая ценность. Разработанные теоретическая модель разрушения, методика определения запаса пластичности в элементах сталышх конструкций (по относительному утонению ф в зоне зарождения разрушения) в зависимости от различных факторов хругкого разрушения, в также методика перехода к сталям с различной хладостойкость» позволяют существенно уменьшать трудоемкость и стоимость лаборяторшх исследований конструктивно-технологическях Форм, за счет сокращения количества испытываемых крупноразмерных образцов.

Предложенные методика расчета сварных нахлЗсточных соединений уголков с ФасонкоП на хрупкую прочность и рекомендации по повышению их хдпдсстоПкости развивают инженерный метод расчвта элементов стел пса конструкций по предельным состояниям и позволяют соьерненствовать норма проектирования.

Рвялияяция исследований. Результаты работы в 1992 году били переданы ведущему няучмо-исследовательскому тституту 1ШШСК Госстроя РФ для использования в новой рздекции СНиН: "Стальные конструкции. Нормы проектирования".

Апробация р«ботм. С'Онепть результаты исследований доложены и представлены в тезнерх о^лчетчых научно-технических конференций

ЬТАС (ранее ШОИ) - Новосибирск - в (991-1994г, а также доложены ий научном семинаре кафедры металлических конструкций НГАС в f994г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, двух приложений. Диссертация изложена на 244 страницах и включает J47 страниц машинописного текста, 128 рисунков и фотографий, 3D таблиц. Список использования: источников представлен в количестве 143 наименований, из них 11 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и денэ общая характеристика работы.

в первой главе работы сделан краткий обзор основных представлений о хрупком разрушении стальных конструкций. Приведён анализ выборки отказов с хрупким разрушением элементов. Рассмотрены особенности работы и расчёта сварных нэхлбсточннх соединений при низких температурах. Отм"чены недостатки нормативной методики расчёта таких соединений. Определена цель и задачи исследований.

Изучению работы и разрушения сварных соединений с угловыми ивами посвящены работы В.М.Барышепа, В.А.Винокурова, К.К.Муха-иова, А.В.Сильвестрова, Р.М.Шагимардвнова, В.Г.Темникова. М.Д.Се-•дановичз, В.В.Карамана, М.И.Гуковой, в также других учёных. На основании их исследований причины понижения хладостойкости нйхлбсточного соединения уголков на фасоше можно разбить на три основные группы (не считая технологических дефектов сварки):

п»рвая - присутствие в данном соединении сразу нескольких признаков конструктивных форм низкой хладостойкости, а именно:

- резкое изменение сечения,

- возможная резка кромок фасонки на гильотинных ножницах,

- малый зазор между приваренными к фасонке элементами,

- малый зазор в растянутых стыках на накладках;

•торая группа - нерациональные форма и параметры шва, такие как радиус перехода от основного элемента ко шву, величина зазора между соединяемыми элементами, соотношение катетов;

и третья группа - neneгиб фасонок из плоскости при монтаже.

Достаточно подробно исследовано конструктивное решение стыков на накладках и фасонак в зазоре между элементами. При этом в

исследованиях В.Г.Темгоигова делается вквод (ишпЭппна в нормы проектирования стпльннх копструкютй CTWI 11-23-01 * в виде требования) о повышения хлпдостойкостп соодшюгшя уголкон па фесонкв при выведении фланговых швов на тор1щ уголков но 20 мм. однако, анализ денных его эксперимента с позиций комплексного подхода к оценке хрупкого разлома дайт противорзчисий результат. С одной стороны, ми наблюдаем рост разрушающих напряжений, с другой -снижение остаточного суяения, то есть пластичности при разруив-шш. Кроме того, граница резкого падения пластичности смещается в сторону более высоких температур.

В этой га работе отмечено особешо неблагоприятное влияние увеличения толшшш олэшпгоп. lío и это утверждение небвсспорш, поскольку температура перехода от вязкого к квазяхр/пкому разрушению для толщин фасопок 10 и 16 мм отличатся но 15 т-рачусоп в одпу сторону, а порот хладноломкости состготстгзущего листового проката по результатам удпршгх псгитлплП - пд 30 градусов п противоположную сторону.

При вязком разрушении расчет соединзшЛ 5 флангоизст (звагят по СНиП 11-23-81* вэдбтел па условный ерпз по двум сечениям. Црн квязихрупком и хрупком разрушения отпошпгпте прадвлььлх значений касательных и гюрмплмп« напряжений меняется в сторону увеличения из-за болов внракенной температурной зависгагосгг первых. Поэтому на пнрпий плен выдвигаются нормальные напряжения, посколысу они достигают своего предельного значения (равного сопротивления микросколу) ряныач, чем касательное - езеэго. Это меячет метод расчета.

При проверке прочности с учетом сопротивления хрупкому разрушению растянутых элементов и рэстянутых зон изгибаемых элементов по СНиП 11-23-61 * используется формула

о 5 0r /7 , (1 )

тех r u 'u х '

где отах - наибольшее номинальное растягиваяцаз напряжение в расчетном сечении элемента, вычисленное при действии расчетных нагрузок на конструкцию без учёта коэффициента динамичности; 0 -расчётный коэффициент, учитывающий расчетную низкую температуру, марку стали, конструктивную форму и толщину алэмента конструкции; Ни и ти - расчетное сопротивление стали (по временному сопротивлению) и коэффициент надз&мстд в расчётах по временному сопротивлению (7 = 1.3).

Значения коэффициент* р, опродел&ннне лишь для шести хон-структик'шх Форм, в том числе и для сворного нвхлёсточного среди-

7

еэезя 5тодкоз с фасовкой, приняты на основа предложений ЦНШСН п для дащоЗ конструктивной формы на отираются на полномасштабный експарЕментальше исследования.

Нормативный метод имеет к другие недостатки. Во-первых, для конструктивных форм во указаны значения первой Т.,(граница мезду вяакшя и квазихрупкиш разрушениями) и второй Тг (граница мэвду кваашрупкиш и хрупкими разрушениями) критических температур хрупкости, ограничивающих область применения формулы (1). Бо-вторах, эта формула не отражает изменений служебных свойств стали . в конструкции при сняяении температуры, в частности, падения запаса пластичности и, соответственно, повышение чувствительности моментов конструкций к случайным перегрузкам и ударам при температурах близких к Тг. В-третьих, не отражено влияние служебных характеристик стали, которые могут иметь значительные отклонения даяе в пределах одной марки. В-четв&ртых, что касается нахлесточ-ного соединения уголков на фасонке, то следует отметить отсутствие данных для фрезерованных я резаных газом кромок, не уточняйся геометрические параметры соединения (а они могут существенно влиять на работу соединения в квазихрупком интервале и па положение самого этого интервала на оси температур), не приведены виачения порогов хладноломкости сталей (определяемые каким-либо стандартным методом), применявшихся при испытаниях 8той и других пяти конструктивных форм, что не позволяет корректировать значения 0 в зависимости от хладостойкоста конкретной марки, категории иян плавки стали.

Методики расчёта сопротивляемости элементов металлических конструкций хрупкому разрушению, предложенные в развитие нормативного штода, также не свободны от недостатков. Все они предполагают значительный объём экспериментальных исследования крупномасштабных моделей конструктивных форм с целью определения раз-летных параметров, входящих з расчётные зависимости коэффициента р от основных факторов хрупкого разрушения. Кроме того, ни одна кэтодака нэ позволяет в пределах одной конструктивной формы учесть влияние различия пластичности применяемых сталей на значения т,, Тг и р.

Учитывая распростраяЭнность, уязвимость с точки зрения хрупкого разрушения, недостаточную изученность работы и неполноту нормативного метода расчёта на хрупкую прочность нахлбеточного сварного соеданеккя парных уголксв на фасонке, в заключение первой главы формулируются цель и задачи исследования,

8

приведенные вша.

Ео второй глава па основе сравнительного анализа криторкзв оценки склонности элементов стальных конструкций к хрупкому разрушении в качества рабочего критерия претят деформационный критерий относительного утопзшгя (суЕэкнл по толзцпш) ф в воаа зарождения разрушения. На оспоеэ анализа выборки данных еспнтйвэЯ ста серий крупноразмврпЕХ образцов получены средпестатпотитаские значения критериев критических температур. Пртаодсш сздаствуясда модели разрушения, предложены новые. На их основа получек? теоретические зависимости относительного утонешя от тзшгвратура п о? толщины, а также формула для определвния ß - коэ$фяцизнта сшта-нал прочности элемента при хрупком его разрувзшп! в соотштстшн со СНиП 11-23-81*. Прэдлокзн знаргетичзский параметр для шрэдэ-ления вероятности хрупкого рааруиення. Сформулирован способ определения интервала квпзлхрутсага разрушэггай • копс^уктишой при использовании сталей разной хладостойкоотя.

Проблема повыиения хладостойкостп стальных конструкций гошд? несколько возмошЕ. пута® решения. В отечественной практике, в ■ отлична от зарубежной предпочтений отдано на только выбору хладостойкой стали, по и разработке и совераенствовашго йемти'^о*} датодики расчета элементов конструкций с учбтоц хрупкого разругаз-ния. При этом основная трудность возникает при выбора критериев, определягадах переход стали из вязкого в квазихрупкое и в хрупкое состояния, а таксе критерия, характеризующего хрупкую щоткаегь при низких температурах.

По этому вопросу нет единого мнения, тис для оценки границ темпэратурного интервала квазихрупких- разрушений псогэдззатодякя предлагается ряд разнообразных критериев: '

I.Оценка первой критической температуры по пятидесяти щют%?Щ вязкой доли в изломе. '

2. По снижению удэдытоЗ работа разрушения в 4,. .10 раз, ,

3. По положению ыаксаыуиа Еошнашшх рззрушаюто назрягешй ЛДЯ температуры Т] и их ревэаотво пределу текучести для температур Tg»

4. По относительному сужении по толщине прз разруловш (относительному утоненшэ), обозначаемом? в соответствия о критическим температурами <J>, н ф2.

б. Критерием моает служить скорость развития резруаэиаа:. 200 ц/с при первой и 2000 при второй критической температурах.

Вероятность хрупкого разрушим возрастает- пря сбжзшйз

9

пластических свойств стали, повтоыу наиболее подходящим критерием следует ириааачь деформациомнай, В результате статистической обработки експериментальшх данных по более, чем ста сериям испы-теша различных конструктивных форм нами получены значения и равные в среднем 10 и Эти значения использовались в дальнейших исследованиях.

В теоретической чести исследования за основу были приняты: во-первых, математическая модель разрушения, разработанная С.Д.Шафраам и представляющая влемеят конструкции в виде пучка параллельных цепочек, звенья которых моделируют зёрна (или кристаллы) металла по их механическим и физическим свойствам; во-еторых, полученное им на основе ьтой модели уравнение, определяющее зависимость относительного утонения 'в зоне заровдешя разрушеаия от температуры:

ГДб Н=Т1(То-Т)/(Т(То-Т1)].

Значения 4>0, То для формулы (2) определяются экспериментально и Та шше, чем Т^. Для наховдения Т1 требуется одна пара вксперишнталышх точек (фо, То) и (ф, Т).

Чиапанша значения шстоятшх валичин ^ =102 и Ошш

определена нами, путбм статистической обработки большого акспари-ыаитального материала, о чём говорилось ранее.

Остальные зависимости главы 2 получены наш совместно с С.Д.Шафраем. На основа упомянутой модели выведено уравнашэ, дозволяющее вычислять относительное утонение при разрушении' в вависимосга о« толвдавы элементов при постоянной температуре:

V <Фо<*)- Фв1а)А«в(Т)- Фи1л)А + фв1п, (3)

где Н^- 1 )/(]х)/го- 1), а ф0(Т) определяется по (2) как функция температуры, при которой определяется зависимость ф от толщины.

Заметим, что, применяя формулы (2) и (3) одновременно, мошо всего по четнрЗм эксперименталънш точкам (две при постоянной температура и две при постоянной толщине) получить всю поверхность значении величины пластичности в зависимости от толщины и температуры для конструктивной формы, что значительно сникает трудоемкость и стоимость экспериментальных исследований.

Зависимость критических температур от толщины (4) получена на основе другой нашей математической модели, в основа которой деиьт полокекия терыофлуктуационной и синергетической теорий раз-

рушения, в частности понятие анергии активации вязкого либо хрупкого разрушения элементарного объйма.

Vor minder «*x /Гог (4)

где пары (t^, Гог (tnln, V п1л) определяются на

эксперимента.

Дальнейшее развитие данной модели, путЗы привлечения уразно-Ш1Я общего баланса анзргш

dK+dU = dQ+dH+dQ,, (Б)

где (Ж - изменение кинетической знэргии системы (тела); dU - приращение полной внутренней энергии; dQ - тепло переданное система шш отнятое от ней; dW - работа, соворяйнная над системой; 0Q.,-приток энергии друпнш способами - радаашя, электромагнитное воздействиэ, химическое воздействдэ на поверхность тела и др., позволило вывести общую иногопар&чатрическуа зависимость утоиэивд от температура

ф * -3- + -А--(6)

HexpCCgil/y-l/C,)! 1+ехрС05(1/Г-1/0,)1 где 0{- коэффициенты, причем 0, определяет точку перегиба грефяна н близок по значению к первой критической температуре Т,; 0а, 08 отражают крутизну наклона графика в интервале парохода от хвези-хруыкого к вязкому разрушению и зависят от разности и Г2; cytßta С3 и 04 равна верхнему пределу значений утодашш, т.е. не врэвоо-ходит 10QS.

Главным достоинство^ этой зависимости следует признать, eö работоспособность во вебм диапазоне температур, а ре только' до первой критической, как это имело место для уравнения (2). однако, имеются и (даиусн. Так, для определения пяти коэффициентов фгрдули (6) до алгоритму Ыаркуардта эзобходамо не иэнээ пята експераментальных точек.

Эта зависимость применялась при обработка данных, получениях в хода механических испытаний образцов (глава 4).

Развивая идеи Дк. Си и Л. Еильш, В. 0. Иванова показала, что критическую плотность анергии деформации иоазо представать в виде двух составляющих: плотности анергии изменения объёма (дилатации) и плотности энергии изменения форма (дисторсяа). Дилатация обеспечивает зеровдание микротрещан 3 непревланга сор-

пендикулярном растягивающему напряжению при достижении предельной плотности анергии для упругого изменения объбма, в дисторсия -образование разрушения в области макротекучести в направлении действия максимальных касательных напряжений. Таким образом, реализация вязкого шш хрупкого разрушения будет определяться отношением плотности анергии формоизменения к плотности анергии изменения объема «о. При отношении «0>1 разрушение Судет вязким и, наоборот, при У?о<:1 - хрупким. Данные условия мошо выразить такав через отношение плотности анергии изменения объёма к плотности полной энергии Ио/ И, которое для вязкого разрушения меньше 0.6, а для хрупкого - находится в интервале от 0.5 до 1. Названо ею отношение энергетическим параметром К^ которые позволяет определить начальные (стартовые) условия, влияющие на кинетику деформирования и разрушения стального алемента. В развернутом виде этот параметр представляется так:

„ (у у у (у у (7)

3(о,е)+ о£ег+ о3б3) Далеэ на основе описания кривой разрушения (в осях: разрушающие деформации - разрушайте напряжения) уравнением (схожим с уравнением Людвика-Холломона)

о^^+ОзШФ), (8)

где С1, 02- постоянные коэффициенты, а коэффициент п учитывав? градиент напряжений в зоне зарождения разрушения и деформационное упрочнение стали; выводится зависимость для коэффициента р:

Р а °р/0Р.^=((}>/(,,1),1(1+п':1п(<))1/<|>)>' <9>

где о фактически есть от" (номинальное разрушавдее напряжение р р

при первой критической температуре); значение ф . вычисляется по лзобой из зависимостей - (2) шш (6). Область использования уравнения (9) - от 1Н>, до но Ф*0. Величина показателя п определяется из условия ¿=Ну/Ии и ф=ф2, где ф2=0.02 (критерий Т2); и Ни - расчетные сопротивления для конкретной стали по ГОСТу.

Необходимо заметить, что часто экспериментальные разрушающие напряжения не снижаются .также быстро, как значение 0 из формулы (9). Это объясняется тем, что нами установлена зависимость р не от прочности, а от пластичности стали при разрушении ф, уменьшение которой опасно повышением вероятности катастрофического (внезапного ) отказа элемента конструкции при небольшой случайной перегрузке (удар, порыв ветра и т.д.), что трудно смоделировать экспериментально. Таким образом, ограничение вксплуатационта растягивающих напряжений в алешнте. конструкции, работещэм в

температурном интервале квазихрупких разрушений (путём умножения расчетного сопротивления на р<1), обусловлено скорее потерей пластичности, чем действительным уменьшением прочности элемента.

Вышеизложенное давт возможность проводить расчет элементов конструкций по нормативной формуле (1), определяя (3 в зависимости от важнейшей характеристики надёжности (с точки зрения хрупкого разрушения) - пластичности стали в зоне зарождения трещины при разрушении ф; которая легко определяется экспериментально.

И в завершение теоретического раздела делается предположение о существовании корреляции между характеристиками разрушения стандартных и крупноразмерных образцов, что может позволить установить эмпирическую зависимость между критическими температурами этих образцов, при условии использования однотипных 1фитериев, в данном случае таким критерием служит относительное утонение ф.

в третьей глав« методом конечных элементов программным комплексом "Бирег5АР" проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния нескольких характерных модификаций конструктивной формы нахлёсточного соединения парных уголков с фасонной (модели разбивались на 850...870 конечных элементов). Расчитаны объемные распределения компонент тензора напряжений а определены зоны стеснения пластических деформаций в зависимости от некоторых геометрических и конструктивных параметров!.

Варьировались следующие параметры:

- толщина фасошш: 8, 12, 16 мм;

- величина зазора между уголком и фасонкой: 0.3, 0.7, 2 мм;

- отношение длин швов к минимальной длине по условию прочности: 1.0, 1.5, 2.75;

- наличие и отсутствие участков лобовых швов;

- расчетное сечение, что определяло место сгущения сетки конечных элементов.

По получении* компонентам тензора напряжённого состояния для центра тяжести каждого конечного элемента вычислялись: .

- к-т концентрации максимальных главных напряжений К;

- к-т стеснения пластической деформации К1 (К1-о1/о1, где а^-приведенные напряжения по теории Генки-Губера-Мизеса);

- энергетический параме'тр Ки;

- относительный линейный размер зоны стеснения пластической деформации (глубина зоны стеснения по отношению к толщине Фасон-ки). Линейный размер зоны стеснения пластических деформаций определялся по изолинии К1=1.15, что соответствует максимальной вели-

13

чине для плоского напряжённого состояния (существующего на свободных поверхностях).

По распределения максимальных главных напряжения следует отметить их значительную концентрацию в поверхностном слое фасон-ки под концевыми участками швов (сечение а-а, рис. 1,а), существенно возрастающую при уменьшении зазора.

Анализируя подученные данные, приходим к выводу о том, что концентрация напряжений в поперечном сечении по фасонке (сечение а-а, рис. 1,а) практически не зависит от ев толщины и равна 6. КоэфХициентн К1 в Kw при этом во»рветакт , а относительная зона стеснения напротив умонюавтея (изменение Ki при толщинах от 6 до 16 мм и зазорах от 2 до 0.3 мм невелико - от 1.40 до 1.67).

Увеличение зазора ве влияет на размер зоны стеснения и на концентрацию напряжений в сечении а-а (рис.2), а в соседнем, отстоящем всего на 0.25 мм, сечении в-в (рис.2) концентрация напряжений уменьшается. Из условия равенства коэффициентов концентрации в двух указанных сечениях величина оптимального зазора (при толщине фа'сонкн 12 мм) равна 0.8...1 мм. К1 и Kw также уменьшаются, асимптотически приближаясь к значениям 1.42 и 0.4 соответственно, поэтому увеличение зазора более 2 мм существенно не изменят величину ни одного из коэффициентов.

При увеличении длины фланговых швов уменьшаются концентрация напряжений в расчётном сечении а-а и относительная глубина зоны стеснения (величины Ki=1.54 и Кя=0.52 не зависят от длины швов). Это происходит из-за увеличения площади продольного сечения швов и, соответственно, снижения их нагруженноети. однако, увеличение длины швов более, чем вдвое по сравнению с минимальной (по условию прочности^нерационально, поскольку не приводит к дальнейшему "смягчению" напряжбнного состояния.

Что касается выведения фланговых швов на торец уголка, то его влияние на изучаемые характеристики напряжбнного состояния в сечении а-а неоднозначно. Так К1 уменьшается от 1.55 до 1.26, К -от 6.40 до 3.52, а относительная глубина зоны стеснения увеличивается от 0.65 до 0.92. Аналогичная неопределённая ситуация создалась при сравнении сечений по уголкам и по фасонке. Механические испытания крупноразмерных образцов позволили разрешить эта трудности.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям хрупкого разрушения конструктивной формы нахлёсточного сварного

соединения парних уголков с фасонкой. Она содержит описание мето-

«

а)

1200

Зона охлаждения

Г~

г до -100"С ., /О--40

б лР.

ым

Способы

обработки

кромки

С

\

--и=о,1г11Вмм|-------к** 16 им

ГИПЮТИРИВЯ

гааорая резке фреэерорка

Ияпрярлрнпр пвгру-»'^Р1тя р | I Р

Сечения уголков:_Л_75зс8, 90x7, 100*10

Рис. 1. Эскизы крупноразмерных образцов для механических испытаний.

К 7

0.25 мм

1 |а,в!

а-а 1- пп'мп 1 Ыв"

о в-в

1 ч Г"

I 1 1

1 м 1 Л =0.8 -Г ОПТИЫ 1мм - альный з азор

0.5 1.0 1.5 2.0 Д , им

Рис. 2. Зависимость теоретического коэффициента концентрации напряжений от величины эвзора между уголком и фасонкой в конечноэлементных моделях с толщиной фасонки 12 мм.

¡щки испытанна, обоснованна выбора размеров образцов, фактические Характеристика разрушения крупноразмерных образцов к обработку их По теоретической зависимости (6), полученной во второй главе. Проанализированы результата испытаний. Получены вксперименталмше зависимости критических температур исследованной конструктивной формы от толщины элемента и от фактической хладостойкости стали. Определен нагрев зов зарокдения разрушения и сопоставлен с теорией, изложенной во второй главе.

Крупноразмерные образны (рис.1) общим числом более 150 штук и общей массой около Бт исштывалясь на разрыв при растяжении в широком диапазоне низких температур. Стандартные образцы с U-образным надрезом (по ГОСТ 9454-78) испытывались на ударный изгиб. Критические температуры для крупноразмерных я стандартных образцов получены по критериям Ф(=10% и фг=2%.

Методика низкотемпературных испытаний в целом не имела отличий от применявшейся ранее на кафедре МК НГ/С, за исключением того, что температура вблизи зоны зарождения разрушения замерялась не только в начале нагрукений, но и в ходе него, вплоть до момента разрушения, что позволило определить величину нагрева при различных видах разрушения и установить корреляцию этой величины с разрушающими напряжениями, что подтверждает адекватность теорет тических подходов, принятых для вавода формулы (в).

Пример обработки экспериментальных данных по формулам (6) и (9), показан на рис.3. Коэффициенты корреляции для зависимостей (6) во всех сериях были не ниже 0.95.

Результаты испытаний образцов с отсутствием и наличием выведения флангового ива на торец уголка на 20 мм, показали во втором случае небольшое (ва 2К) повышение температуры Т1 и более заметила (на 10...15К) рост температур» Tg.

Ввиду зарождения разрушения у концов фланговых швов (в сечении а-а, рис.1), вид обработки кромок (гильотинная резка, газовая резка, фрезеровка) не оказывал существенного влияния на температуру 11 соединения,, однако, при гильотинной резке фасонки толщиной 12 мм из малоуглеродистой стели отмечено 6091 случаев разрушений от кромки (рис.3, темные фигуры), причем некоторые . из них происходили по более прочному сечению (г-г, рис. 1,а) чем расчётное (а-а, рис.1). Что ■ касвется температуры Т2, то фрезеровка понижала е§ в среднем на 10К.

В сериях с теоретически равнопрочными (при традиционном расчете по СНиПу) сеченияш а-а и б-б (рис.1,а), разрушение вей же

Ъо

0,7 0.5 0.3

213 223 233 243 263 263 273 >Г,К Рис. 3. Пример обработки акспериыентаданых данных. Критические температуря Ц««24СК, Га=■ 2£7К

'1(8), К 260

230 220 210 200 100

Эхсперимент:

$ Сталь С2ББ Теория по ФОРЫУЛМ!

л^ итап 2 «ч, 220 J ч

--Т1 / ч

.....те *

г **•./! У» ♦ т,

/

204 :1' *

* • • V ---'ьстнд 'г

• • ' "188-

4 а 12 16 tí ии

Рил 4. Экспериментальные ваэнолыоотд критических температур крупноразмерных образцов от толщины фаеопкн, а также семейства прямых, описывающих аналогичные ¡зависимости , но при фиксированных ава"енаяг критических температур стандартных образцов (истинные зависимости, приведенные к едином хладостойяостян сталей).

п

происходило по уголкам, независимо от способа резки кромок фасон-ки (напомним, что сопоставление К, К1 и относительное; зона стеснения пластическое деформации дает равную вероятность хрупкого разрушения). Однако, расчЗт данного узла по предлагаемой в главе 5 методике объясняет этот факт более низкой хладостойкостьв стали в использованных уголках.

По испытаниям образцов типа, показанного на рис.1,б установлено, что наличие соединительной прокладки не оказывает влияния на хрупкую прочность соединения.

Что касается влияния толщины фасонки, то, независимо от конкретной КТФ (в обобщённом виде), для каждой из двух критических температур существует поверхность, математически описываемая функцией двух переменных

С^С.' (10)

где - критическая температура конструктивно-технологической формы, Т^г* 1 - критическая температура стандартного образца, a t - толщина основного влеменга.

Если принять гипотезу о линейной зависимости критических температур НТФ от соответствующих температур стандартного образца при фиксированной толщине, то , получив экспериментально по две такие зависимости

т' а (п«»"Д , о

w* • ет.ж ■ 1

Tor = Vor +Вг <11>

для толщин t,H tg соответственно (причём минимально необходимо

для втого по два точки вида (Т^*1, для каждой из двух

толщин), можем представить функцию (10) в виде параметрической

зависимости

At + В , (12),

гдэ А - ((А - А,)Т^В< + (В2- Bt))/(t2- t,), В = + В, - At,, а у i,.

В атои уравнении зависимость ыевду толщиной и критической температурой такаа полагается линейной, что допустимо в диапазоне толщин порядка 10...12 мм.

На основе проведанных испытаний лолучеш эмпирические линейные уравнения типа (11) связывающие критические температуры стандартных и крупноразмерных образцов. Из этих, уравнений выведены зависимости шш (12), позволяющие вычислять критические температуры исследованной конструктивно-технологической формы в зависимости от толщины фасонки t, если проверяется сечение' а-а (рис. 1,а), или толщины полки уголка, если проверяется сечение б-б и от

48

хладостойкое™ применяемой стали ('Г^""): тГ*» (-О.гшт"*1 + 46.0)1 + 4.11611'" - 643, ?]'♦=» (-0.19БТ'**Д + 37.75)* + 3.74Т2М - 520 (13).

Для окончательного вывода о влиянии толщины фасонки на. хла~ достойкость данного соединения в общем случае необходимо сравнивать образцы из стали одной плавки, иначе отлична свойств исходных сталей может исказить наблюдаемую картину» Нами пспольаовви другой метод. Он заключается в приведении полученных критических температур для образцов из разных сталей к единой стала по формулам (13), то есть, принимая фиксированные значения критических температур стандартных образцов. Построенные по этим уравнениям теоретические зависимости критических температур конструктивной формы от толщины фасонки (рио.4) говорят о том, что для стали с более высоким порогом хладноломкости критические температур! понижаются при увеличении толщины, а для более хладостойкой отава наблюдается обратная картина. Объяснение такого явления оледует из известных фактов, а также из получанных вами в глава 3 результатов.

Если масштабный фактор, сладуя за уменьшением отпоситэшюЯ зоны стеснения (глава 3), ослабляет своб влияние при увеличения толщины фасонки, то фактор сварка ногат по разному влиять на разные стали. Известно, что низколегированная сталь обладает повышенной чувствительностью к воздействию сварки по сравнен® а малоуглеродистой сталь» за счЗт большего роста зерна я всзд перегрева. Суммируя действие этих факторов, получаем жбо убывающую, либо возрастающую зависимость критической тздаературд от толщины фасонки (рис.5).

а" ватой гм&о предложена практическая инженерная иет^дгаса расчйта сварного нахлёсточного соединения парных уголкоя о фасонной, основанная на нормативной формуле (1). Праведен алгоритм и расчётные таблицы в виде, приблиташом ц соответствующим таблицам ОниП 11-23-81*.

Особенностями методики является;

- определение критических температур данной коиструктнзярЗ форш по фактической хладостойкоста стали (форгулн тала (13))» есть в расчёт принимаются критические тешгературц стандартных образцов при испытаниях на ударный изгиЧ по РОСТ 9454-78, причем I"" и Т*'м оцениваются по деформационному критерия ф^-ЮЗ, фа=2»;

- определение к-та р (уравнение (9)) в зависимости от безтц <9

Сталь класса С 345

СВАРКА (РОСТ ЗЕРНА В ЗОНЕ ПЕРЕГРЕВА)

МАСШТАБНЫЙ'

ФАКТОР СВАРКА

(УМЕНЬШЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО +

РАЗМЕРА ЗОНЫ СТЕСНЕНИЯ МАСШТАБНЫЙ

ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ) ФАКТОР

Толщина фасовки

Толщина фасонки

Толщина фаеоики

Я 59

ее

к £

Е л к 41 и §

о

X И

1\

Сталь класса С 255

СВАРКА

+

Толщина фасонк}!

МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР

3 «з

В 8.

ва

Толщина фасонки

2 ®

8®

£ л

к * н § 3-й К *

СВАРКА +

ИАСШШШЫЙ ФАКТОР

Толщина фасовки

Рис. б. Схем а, поясняющая вааиажн<>сть сиены характера зависимости критической температуры от толщины фасонки при исиольаовйнии разных сталей. Здесь решающую рода играет различная чувствительность хладостой-костн данных сталей к воздействию сварки.

пластичности ф в зоне зарсздештя разрукэшя, которой, в свою очередь, определяется по формуле (2) с небольшими иэкопопиями:

* " «V О^1«'*- «'пШ^'Г Фв1л>1И + Фш!«. <'4> где <Т1-ТЭ)/[Т|>(Т,-Т8 <^»108. фг=2*, фга1п=12,

где Т - расчетная пизкая температура.

Рассмотрен пример расчете. Сформулированы осяовшэ гавода то результата!.: исследований и дшш рекомендации по говниетот хладостойкости нахлЗсточных соединений из парннх уголков с фосонкой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Подтверждена применимость деформационных критериев оценки первой и второй критических темперэтур то ветчтт относительного утонения ф в зоне зароздения разрушения, разным 103 л 2% соответственно.

2. Для оценки склонности конструктивной формы к хрупкому разрушению предложены параметры:

а) К^, представляющий собой отноиение плотности анергии гаме нения объёма к плотности полной енергии разрушаемого объема;

б) отноиеняе размера зоны стеснения пластических деформаций к толщине элемента. Данный параметр определяет вероятность случайного попадания "слабого", с позиции хрупкого разруиенил, "звена" в опасную зону.

3. Теоретически получены нелинейные уравнения, определяющие следующие зависимости:

а) относительного утонения ф в зоне зарождения разрушения от температуры и толщины;

б) критических температур от толщины элементов;

в) коэффициента р от запаса пластичности ф в сояо зароздения разрушения с учбтом отношения предела текучести ко временному сопротивлению стали.

4. Разработана методика проверки евврного нохлЗсточного соединения парных уголков с фасовкой на хрупкую прочность, учитывающая запас пластичности в зоне зароздения разрушения а фактическую хладостойкость стали. Влияние хладостойкости стали опрэда-ляется по эмпирически установленным зависимостям, связывающим критические "емпературн хрупкости крупноразмерных■моделей и стандартных образцов при испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78. Методика представлена в виде алгоритма я расчЗит таблиг.

Б. Сварное нахлёсточное соединение из парных уголков с фасонками -По результатам проведанного комплексного исследования следует относить к группе . конструктивных форм низкой хледостойкости.

6. Для повышения надёжности работы данной конструктивно технологической формы при низких температурах эксплуатации рекомендуется;

а) назначать величину зазора между уголком и фасогосой ровной \% от ширины привариваемой полки уголкаf поскольку эта мере уменьшает коэф$йциент концентрации нанряшний на 25% (от 7.2 до 6.4);

б) для снижения концэнтрации напряжений в фасонке у концов флангового ива на 15% (от 7.8 до 6.6) - увеличивать его длину в 1.6 раза по сравнению с расчётной по условию прочности, но не болае максимальной, оговоренной нормами СНиП II-23-81*, п.12.8,г.

В) по причине образования при гильотинной резке фясонок микронадрывов различной остроты и величины, которые уменьшают предсказуемость поведения конструктивной формы и, как показал вкспоркмвнт, вызывают спонтанный переход очага разрушения от флангового ива на кромку фасонки с сопутствующим понижением пластичности разрушения, по применять гильотинную резку кромок фасонки при толщине последней более 8 мм;

в) но считать обязательным выведение фланговых швов на торцы уголков, поскольку это приводит к увеличению в поперечном сечении зоны стеснения пластических деформаций в 1.8 раза, несмотря на уменьшение коэффициентов концентрации напряжений и стеснения пластических деформаций;

д) проверку прочности производить по двум сечениям (по фасонке и по уголкам) по методике, указанной в п.4.

Основные положения диссертации опубликованы в сл»дуицих работах!

1. Шафрай С.Д., Сергеев А.В 0 влиянии толщины на пластич-нреть при разрушении влементов стальных конструкций из различных сталей // Изв. вузов. Строительство и архитектура.- 1989.- N2 7.-С. 17 - 21.

2. Шафрай О.Д., Сергеев A.B. Совершенствование метода расчёта стальных конструкций при хрупком.разрушении // Изв. вузов. Строительство и архитектура.- 1990.- №2.-0. 1 - 7.

3. Шафрай С.Д., Сергеев A.B. Синергетический подход к описа-

иию квазихрупкого разрушения стальных конструкций // Изв. вузов. Строительство и архитектура.- 1990.- № 8,- С. 11 - 15.

4. Шэфрай С.Д., Сергеев A.B. К вопросу определения пластичности и критических темпоратур хрупкости при разрушении элементов стальных конструкций // Изв. вузов. Строительство и архитектура.-1990.- № 12.- С. 10 - 13. '

5. Сергеев А.В, Шэфрай С.Д. Оценка хладостойкости нахлбс-точного соединения при использовании различных сталей // Архитектура и строительные конструкции. Гезисы докладов научно-технической конференции НИСИ, апрель 1991,- Новосибирск,. 1991, с. 18-19. ;

6. Сергеев А.В, Шафрай С.Д. Работа' нахлйсточных соединений при низких температурах. // Архитектура и .строительные конструкции. Тезисы доклвдов научно-технической конференции НИСИ, апрель

1992,- Новосибирск, 1992, е.. 25 - 26.

7. Сергеев А.В, Шафрай С.Д. Хладосгойкость нахлбеточного соединения парных уголков с фасонной из малоуглеродистых сталей // Строительные конструкции и расчЗт сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции ЩСИ /часть 1/, апрель

1993,- Новосибирск, 1993, С. 10 - 11.

8. Сергеев А.В, Шафрай С.Д. Исследование напряжённо-деформированного состояния фасонок ферм с целью повышения их хладостойкости.// Строительные конструкции и расчбт сооружений. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции НГАС /часть 1/, апрель 1994,- Новосибирск, 1994, с. 4 - Б.