автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и хладостойкость стальных конструкций из холодногнутых профилей открытого сечения

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова

на правах рукописи

ШАПОВАЛОВ ЭДУАРД ЛЕОНИДОВИЧ

(

ПРОЧНОСТЬ И ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ ОТКРЫТОГО СЕЧЕНИЯ

Специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

доктор технических наук, профессор ЕРЁМИН К.И.

Магнитогорск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................................5

Глава 1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ХГП, АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХГП И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ХЛАДОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ...........................................................................10

1.1. Стальные конструкции из ХГП открытого сечения.................................10

1.1.1. Применение ХГП в строительных конструкциях.........................10

1.1.2. Конструктивно-технологические особенности элементов стальных конструкций из ХГП.................................................................14

1.2. Анализ влияния технологических процессов изготовления на

свойства ХГП....................................................................................................................19

1.2.1. Влияние технологических факторов резки на кромку ХГП ...23

1.3. Оценка хладостойкости стальных конструкций.........................................27

1.3.1. Анализ факторов, влияющих на хладостойкость стальных конструкций.........................................................................................................27

1.3.2. Критерии определения хладостойкости стальных конструкций ..............................................................................................................................30

1.3.3. Анализ расчётных методов оценки хладостойкости стальных конструкций, применительно к конструкциям из ХГП ...33

Выводы по 1 -ой главе............................................................................................................40

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........42

2.1. Выбор объектов экспериментальных исследований................................42

2.2. Структура проведения исследований ХГП....................................................43

2.3. Выбор стали......................................................................................................................44

2.4. Методика проведения металлографического анализа различных зон ХГП................................................................................................................................45

2.5. Методика замеров твёрдости поперечного сечения ХГП.....................46

2.6. Методика исследований механических свойств стали в различных зонах ХГП.................................................................................................................49

2.7. Методика определения ударной вязкости стали различных зон ХГП.........................................................................................................................................52

2.8. Методика исследований хладостойкости фрагментов металлоконструкций из ХГП при статическом растяжении..................................54

2.9. Методика изучения напряжённо-деформированного состояния ХГП методом тензометрических исследований........................................60

2.10. Методика обработки результатов экспериментальных исследований ........................................................................................................................................63

2.11. Оценка погрешностей метода измерений деформированного состояния в зонах концентрации напряжений..........................................67

Выводы по 2-ой главе............................................................................................................70

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ СТАЛИ ХГП ОТКРЫТОГО СЕЧЕНИЯ..............................................................................72

3.1. Металлографический анализ различных зон ХГП....................................72

3.2. Исследование твёрдости поперечного сечения ХГП...............................75

3.3. Исследование механических свойств стали различных зон ХГП ... 85

3.4. Ударная вязкость стали различных зон ХГП................................................91

Выводы по 3-сй главе............................................................................................................96

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ФРАГМЕНТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ИЗ ХГП......................98

4.1. Результаты испытаний на статический разрыв фрагментов металлоконструкций из ХГП открытого сечения...................................................98

4.1.1. Разрушающее напряжение ХГП...............................................................98

4.1.2. Относительное удлинение ХГП............................................................102

4.1.3. Поперечное сужение ХГП........................................................................108

4.1.4. Утяжка периметра ХГП..............................................................................114

4.2. Характер разрушения фрагментов конструкций из ХГП при статическом растяжении..........................................................................................117

4.3. Фрактографическое исследование изломов ХГП....................................131

4.4. Напряжённо-деформированное состояние фрагментов конструкций из ХГП при статическом растяжении................................139

4.5. Анализ результатов экспериментальных исследований......................144

Выводы по 4-ой главе.........................................................................................................150

Глава 5. РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ХГП ОТКРЫТОГО СЕЧЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ И ХЛАДОСТОЙКОСТЬ...............................................................................................152

5.1. Оценка эффективности использования ХГП в конструкциях.........152

5.2. Методика учёта конструктивно-технологических факторов

в расчётах на прочность элементов стальных конструкций из ХГП открытого сечения..........................................................................................153

5.3. Расчёт элементов стальных конструкций из ХГП открытого сечения на хладостойкость с учётом конструктивно-технологических факторов............................................................................................................................155

5.4. Пример расчёта на хладостойкость сварной конструкции

из ХГП открытого сечения...................................................................................160

Выводы по 5-ой главе.........................................................................................................165

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............................................................................167

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Основными направлениями развития строительной индустрии являются разработка эффективных методов по повышению надёжности и долговечности строительных металлоконструкций и улучшение методов их проектирования. В настоящее время увеличивается потребность в экономичных конструкциях, отвечающих современным требованиям. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют стальные конструкции, выполненные из холодногнутых профилей (ХГП). Это связано с большой эффективностью их применения: малой себестоимостью, относительной простотой массового производства и большим разнообразием форм. Холодногнутые профили являются альтернативой горячекатаному сортовому прокату во многих видах металлоконструкций. Применение данного вида профилей имеет ряд преимуществ, так как ХГП обладают широкими конструктивными достоинствами и обеспечивают экономию металла, в среднем, на 25 % [9].

На сегодняшний день механические свойства стального проката, применяемого при производстве ХГП, «переносят» на механические свойства готовых гнутых профилей. Но металл при профилировании упрочняется, что подтверждается экспериментальными исследованиями [102, 104, 106, 73]. А применение ХГП с учётом деформационного упрочнения позволит получить экономию металла до 10 % без капитальных вложений и значительно облегчить конструкции [94]. Кроме того, металлургические заводы поставляют стальной прокат для строительных конструкций, прочностные свойства которого могут превышать от 20 до 50 % его нормативного значения [94]. Таким образом, конструкции выпускаются заведомо утяжелёнными, что приводит к неоправданному перерасходу металла.

В существующих нормах и правилах СНиП П-23-81* «Стальные конструкции», а также других нормативных документах нет рекомендаций по расчёту конструкций из холодногнутых профилей открытого сечения. В них

не учитываются технологические особенности изготовления данного вида профилей. Расчёт ведётся как для элементов горячекатаного сортового проката, что не отражает эффективности применения ХГП в конструкциях. Следует отметить, что методы проектирования и расчёта конструкций из ХГП должны учитывать специфические особенности, отличающие гнутые профили от традиционных горячекатаных.

В строительстве наибольшее распространение получили гнутые профили малых толщин (до 4 мм), которые используются в основном в виде лёгких конструкций: прогонов, ригелей, ограждений, лестниц, настилов, а в более ответственных конструкциях предпочтение отдаётся традиционным горячекатаным профилям. Это связано с недостаточной изученностью прочностных свойств и работоспособности толстостенных профилей, в качестве элементов конструкций. Перспективным направлением является более широкое использование ХГП различных толщин в ответственных конструкциях. Но с увеличением толщины элементов увеличивается влияние низких температур на эксплуатационные свойства конструкций, снижается сопротивление хрупким разрушениям.

Вопросы хрупкого разрушения металла являются объектом пристального внимания современной науки. Повышение хладостойкости конструкций связано с учётом множества факторов, влияющих на хрупкую прочность элементов конструкций расчётными методами. В настоящее время разработан ряд методов (СНиП Н-23-81*, НИСИ, ЦЕМИПСКа) по оценке прочности стальных конструкций с учётом возможности хрупкого разрушения [85, 127, 128]. Но данные методы не содержат рекомендаций по определению хладостойкости стальных конструкций из ХГП открытого сечения. Существуют также ограничения, которые определяют конкретное применение данных методов в зависимости от вида и ответственности конструкций, качества материала, наличия дефектности конструкций, конструктивных решений и условий эксплуатации.

Для сварных строительных конструкций характерным является наличие конструктивных концентраторов напряжений. Напряжённо-деформированное состояние узлов и элементов конструкций определяется конструктивными особенностями сварных соединений. Известно, что одним из факторов, вызывающих разрушение конструкций, является повышенная концентрация напряжений в локальных зонах. Поэтому необходима качественная оценка напряжённо-деформированного состояния зон сварных соединений в конструкциях из гнутых профилей.

Актуальность проблемы заключается в повышении эффективности использования гнутых профилей путём определения расчётными способами прочности и хладостойкости элементов стальных конструкций из ХГП открытого сечения с учётом их конструктивных и технологических факторов изготовления.

Целью исследований, проведённых в данной работе, является оценка влияния конструктивно-технологических факторов на прочностные характеристики гнутых профилей открытого сечения и хладостойкость элементов сварных конструкций из ХГП в условиях статического нагружения.

Научную новизну работы составляют:

- результаты экспериментальных исследований влияния технологических процессов деформирования на изменения механических свойств и пластических характеристик стали ХГП;

- результаты экспериментальных исследований влияния толщины профилей и двух типов конструктивных концентраторов напряжений на прочность и хладостойкость элементов сварных конструкций из ХГП открытого сечения;

- определение критических температур ТСГ1, ТСГ2 переходного состояния для элементов сварных конструкций из ХГП открытого сечения;

- метод определения расчётного коэффициента |3 при оценке хладостойкости конструктивных элементов из ХГП открытого сечения.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований:

- влияние технологических процессов деформаций на изменение механических характеристик, пластических свойств и ударной вязкости стали различных участков поперечного сечения ХГП;

- результаты экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния растянутых фрагментов сварных металлоконструкций из ХГП открытого сечения;

- характеристики хладостойкости фрагментов сварных конструкций из ХГП открытого сечения, с учётом влияния толщины и типов конструктивных концентраторов напряжений на профиле;

2. Методы оценки конструктивно-технологических особенностей изготовления гнутых профилей в расчётах на прочность и хладостойкость элементов стальных конструкций из ХГП открытого сечения.

Результаты исследований представлялись на:

- II Научно-технической конференции «Повышение прочности и хладостойкости массовых видов проката из конструкционных сталей», г. Москва, институт им. Байкова РАН, 1992 г.

- XXIX Межреспубликанском семинаре «Актуальные проблемы прочности. Функционально-механические свойства материалов и их компьютерное проектирование», г. Псков, филиал СПбГТУ, 1993 г.

- Межгосударственной научно-технической конференции «Исследование действительной работы и усиление строительных конструкций промышленных зданий и сооружений», г. Магнитогорск, горно-металлургический институт им. Г.И. Носова, 1993 г.

Результаты экспериментальных исследований, полученные в процессе работы по диссертационной теме, опубликованы в межвузовском сборнике научных трудов Магнитогорской государственной горно-металлургической академии за 1995 г.

Диссертационная работа содержит 197 страниц текста, включая 98 рисунков и 27 таблиц.

Автор выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры строительных конструкций и лаборатории надёжности и долговечности зданий и сооружений Магнитогорского государственного технического университета, а также научным консультантам и работникам Центральной лаборатории Магнитогорского металлургического комбината за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Глава 1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ХГП, АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХГП И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ХЛАДОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1Л. Стальные конструкции из ХГП открытого сечения 1Л Л. Применение ХГП в строительных конструкциях

Холодногнутые профили являются высокоэкономичным видом металлопродукции. Рациональное их использование обеспечивает снижение расхода металла без ущерба для несущей способности конструкций, сокращает трудовые затраты на изготовление и строительные операции, позволяет создавать конструкции, отвечающие требованиям современной эстетики.

ХГП обладают широкими конструктивными достоинствами: одинаковой толщиной по сечению профиля, более высокой точностью размеров готового изделия, обеспечивающей необходимую конструкционную прочность, прямыми кромками, облегчающими технологические операции по сборке и монтажу конструкций, высоким качеством поверхности, что увеличивает коррозионную стойкость изделия и позволяет наносить декоративное покрытие, улучшая его эстетический вид. Закругление в месте изгиба облегчает сварочные работы при стыковке элементов конструкций. Рациональное распределение металла по толщине сечения профилей приводит к уменьшению металлоёмкости элементов. Требуемая форма поперечного сечения сохраняется при любой длине профиля. Среди всей продукции металлургического комплекса сортамент гнутых профилей имеет самый большой спектр изделий различной конструктивной формы и конфигурации (рис. 1.1).

В качестве материала для гнутых профилей, в основном, используются конструкционные стали общего назначения СтЗ различной степени раскис-

ления (кп, сп, пс). Для производства некоторых видов профилей применяется низколегированная сталь марки 09Г2С.

с кромками жёсткости

и, с

Рис. 1.1. Основные виды (1,2) и специальные (3) гнутые профили, производимые в ЛПЦ № 7 ОАО «ММК» [110]

ХГП толщиной 4 мм и более изготавливаются из горячекатаного стального проката.

Холодногнутые профили являются альтернативой применения в конструкциях горячекатаных профилей. Элементом из ХГП можно заменить сварной конструктивный элемент из нескольких горячекатаных профилей (рис. 1.2-1). В свою очередь, сварной элемент из ХГП можно использовать в качестве замены горячекатаного прокатного профиля (рис. 1.2-2).

С Г

к— 1

[

Рис. 1.2. Варианты замены конструктивных элементов из горячекатаных профилей на холодногнутые

Экономическая эффективность применения ХГП в конструкциях оче-

видна. По данным ЦНИИ промышленного строительства, около 12 % потребляемого в строительстве металла могут составить гнутые профили. Это обеспечит экономию около 38,4 % металла [104]. Трудоёмкость изготовления конструкций из ХГП взамен горячекатаных уменьшается на 30 % [94].

Основными областями применения холодногнутых профилей в конструкциях являются [54]:

- ограждающие конструкции (настилы покрытий, переходные площадки, ограждения, обшивки стен, лестницы);

- несущие конструкции (фермы, колонны, балки, прогоны);

- конструкции, совмещающие несущие и ограждающие функции (панели, блоки, оболочки, складки);

- комбинированные конструкции (панели типа сэндвич).

В процессе реконструкции стар