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

кандидата технических наук
Шаповалов, Эдуард Леонидович
город
Магнитогорск
год
1999
специальность ВАК РФ
05.23.01
цена
450 рублей
Диссертация по строительству на тему «Прочность и хладостойкость стальных конструкций из холодногнутых профилей открытого сечения»

Текст работы Шаповалов, Эдуард Леонидович, диссертация по теме Строительные конструкции, здания и сооружения

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