Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.00 СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
ОКСО 08.00.00 Техника и технологии строительства
ББК 3 ТЕХНИКА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
В современных строительных конструкциях стальные балки играют ключевую роль, обеспечивая прочность и устойчивость зданий и сооружений. Узлы опирания, соединяющие балки и колонны, представляют собой критически важные элементы, которые должны справляться с различными механическими нагрузками, включая статические и динамические воздействия. При этом усиление таких узлов становится важной задачей для обеспечения долговечности и безопасности конструкций. Динамические нагрузки, возникающие от воздействия сейсмических колебаний, ветровых нагрузок или вибраций, требуют тщательного анализа. Эти нагрузки могут приводить к неожиданным деформациям и разрушениям, особенно если не учитывать остаточные сварочные напряжения, возникающие в процессе соединения элементов конструкции. Остаточные напряжения могут оказывать значительное влияние на прочность узлов, изменяя их реальную несущую способность и устойчивость. Учитывая вышеизложенное, целью данного исследования является экспериментальное моделирование работы узлов опирания стальных балок на колонны после усиления, с акцентом на влияние остаточных сварочных напряжений при воздействии динамически нагрузок. Исследование включает в себя создание различных моделей при усилении узлов, испытания их на прочность и анализ поведения под динамическими воздействиями
динамическая нагрузка, усиления, экспериментальное исследование, рамные узлы, металлоконструкций, прочность, испытательная машина
Введение
Целью эксперимента было изучение влияние уровня остаточных сварочных напряжений на несущую способность рамных узлов строительных металлоконструкций до усиления и при различных вариантах усиления:
Первый вариант, установка горизонтальных накладок (рис. 1), второй вариант установка горизонтальных накладок, приварке уголка на верхний накладке и установка вертикального ребра на уголке. Предполагаемая нагрузка для всех образцов динамическая.
Рис. 1. Расчетная схема образцов и характер нагружения
Для изучения влияния уровня остаточных сварочных напряжений в эксперименте варьировали две высоты катета сварного шве 6 и 8 мм, для рассматриваемых схем образцов (рис.1 тип 1 и тип 2).
Выбор данных размеров сварных швов 6 и 8мм обоснован теоретическим расчетом при моделировании образцов рамных узлов с использованием программного обеспечения Ansys [1]
Для оценки надежности сварных швов малых катетов при их использовании для усиленных рамных узлов строительных металлоконструкций, испытывающих динамические нагрузки целесообразно проведение экспериментальных исследований.
Заслуживают внимания многоцикловые нагрузки, имитирующие динамические нагрузки. Это позволяет выявить, как такие швы обеспечивают себя при многократных приложениях нагрузок, что особенно важно для конструкций, продолжительности колебаний циклических или циклических изменений нагрузки.
Динамические нагрузки может привести к накоплению усталостных повреждений, даже если на первый взгляд соединение выглядит прочным. Для проверок усталостной прочности сварных швов с малыми катетами следует провести серию усталостных испытаний, чтобы оценить их способность сохранять микротрещины и их удлинение при многократных циклических нагрузках. Также необходимо учитывать, срок их эксплуатационной надежности [2, 3].
Для того чтобы объективно оценить эффективность применения сварных швов с малыми катетами, необходимо провести сравнительные испытания с другими методами усиления рамных узлов. Например, можно сравнить их с использованием накладок, болтовых соединений или других типов сварных швов. Важная оценка того, какой из методов обеспечивает наибольшую устойчивость и длительность эксплуатации после усиление рамных узлов строительных металлоконструкций [4–7].
На основании этих условий можно сделать вывод, что использование сварных швов малых катетов для усиления рамных узлов строительных металлоконструкций, получаемых в условиях динамические нагрузки, является целесообразным, если такие швы продемонстрировали хорошие результаты по усталостной прочности, и циклический долговечности.
Ожидается, что результаты данного исследования окажут существенное влияние на проектирование и эксплуатацию стальных конструкций, предоставив новые данные о надежности узлов опирания, испытывающих динамические нагрузки, и дадут рекомендации по их усилению; эти данные могут быть использованы как в научной среде, так и в практическом строительстве, что будет способствовать повышению безопасности зданий и сооружений в условиях динамических нагрузок.
Методы исследования. Испытательная машина INSTRON 8801 – это высокотехнологичное устройство, предназначенное для проведения механических испытаний различных материалов и конструкций. - Нагрузочная способность: до 100 кН, что делает её подходящей для работы с различными материалами, от полимеров до металлов. Она используется в научных исследованиях, а также в промышленности для оценки прочности, жесткости и других механических характеристик материалов как показано на рис. 2. [8–10].
Рис. 2. Испытательная машина INSTRON 8801
Вид нагрузки
В эксперименте было использовано динамические нагрузки. Динамические нагрузки – это испытание металлоконструкций, при котором конструкция подвергается многократному приложению статической нагрузки, имитируя условия эксплуатации, в течение которых на конструкцию воздействуют повторяющиеся нагрузки, например, от ветра, веса оборудования, температуры или других факторов [11–15].
Прочность образцов при динамические нагрузки зависит от наличия концентраторов в соединениях, свойств материала и качества сварных соединений, Целью таких испытаний является проверка прочности и деформативности металлоконструкции, а также выявление возможных повреждений или ухудшения её характеристик после многократного воздействия нагрузки.
Испытания проводились на универсальной испытательной машине INSTRON 8801, оборудованной датчиком усилия, способным измерять нагрузки до 100 кН. Перед началом испытаний датчик был надежно прикреплен к нижней (подвижной) траверсе. Это обеспечивало точность и стабильность измерений. Важным этапом подготовки являлось балансирование нагрузки на машине, а также установка ограничителей как по нагрузке, так и по перемещению траверсы. Эти меры необходимы для предотвращения случайных перегрузок и обеспечения безопасности во время испытаний. Все образцы подвергались испытаниям при нагружении усилим 68646,55 Н (7 тонна).
Образцы были поделены на две группы по два образца в зависимости от способа усиления:
- Образцы без усиления с катетом шва 6мм и 8 мм (2 шт.)
- Образцы после усиления с помощью накладок с катетом шва 6мм и 8 мм (2 шт.)
Рис. 3. Образец № 3 с катетом швом 6мм, образец № 4 с катетом швом 8 мм
После того как были сварены образцы и выбрана методика испытания начали проведение испытания.
Результаты исследований и обсуждения.
Образцы до усиления с катетом
шва 6мм и 8 мм (2 шт.)
Образец без усиления, с катетом шва 6 мм, был установлен на специальной площадке, которая жестко крепилась к бетонному основанию с помощью траверсы и анкерных балтов. Для повышения стабильности конструкции образец был надежно зафиксирован анкерными балтами, чтобы предотвратить любые нежелательные движения во время испытания. Затем нижняя траверса подводилась к образцу до момента соприкосновения, после чего начинался процесс испытания [16–18].
Исследование продолжалось до тех пор, пока на образце не возникала видимая усталостная трещина, которую можно было наблюдать невооруженным глазом. Это критический момент, который сигнализирует о достижении предела прочности материала. После завершения испытания, фиксировались данные о количестве циклов до разрушения. Эти данные являются важными для анализа долговечности и надежности конструкции. Затем проводилась процедура замены образцов, установка образца с катетом шва 8 мм [19, 20].
Характер разрушения
Рис. 4. Разрушения на образце с катетом шва 6 мм
Признаки усталостного разрушения на образце с катетом шва 6мм наблюдаются на сварных швах, как показано на рисунке 4.
Разрушение первого типа образцов с высотой катета сварного шва 6мм произошло при 166 циклах нагружения, в форме усталостной трещины сварному шву длиной 15 мм и шириной
0,5 мм.
Полученной результат коррелирует с результатами теоретического расчёта аналогичного узла, где количества циклов до разрушения составило 139 и место расположение усталостной трещины находится в зоне максимальных эквивалентных напряжений равных 1139 МПа.
Рис. 5. Разрушения на образце с катетом швам 8мм
Признаки усталостного разрушения на образце с катетом швам 8мм наблюдаются на сварных швах как показано на рисунке 5.
Разрушение первого типа образцов с высотой катета сварного шва 8мм произошло при 94 циклах нагружения, в форме усталостной трещины сварному шву длиной 13 мм и шириной 0,6 мм.
Полученной результат так же коррелирует с результатами теоретического расчёта аналогичного узла, где количества циклов до разрушения составило 80 и место расположение усталостной трещины находится в зоне максимальных эквивалентных напряжений равных 1689,4 МПа.
Результаты испытания долговечности в деталях усиления показывают большее количество циклов нагружения до появления признаков усталостного разрушения, на образцах с малыми катетами что подчеркивает важность учета тепловых деформаций материала в расчетах на прочность сварных соединений.
Образцы после усиления с помощью накладок с катетом шва 6мм и 8 мм (2 шт.)
Для испытания второй группы образцов, соединение было усилено путем приваривания накладок. Образцы с катетом шва 6мм и катетом шва 8 мм усиленные с помощью накладок были испытаны по той же схеме, как и образцы без усиления. Испытание так же проходило до момента появления видимой трещины. Далее выгружались данные о количестве циклов до разрушения.
Характер разрушения
Рис. 6. Разрушения на образце с катетом шва 6 мм
Признаки усталостного разрушения на образце с катетом шва 6мм наблюдаются на сварных швах как показано на рисунке 6.
Разрушение второго типа образцов с высотой катета сварного шва 6мм произошло при 2836 циклах нагружения, в форме усталостной трещины сварному шву длиной 20мм и шириной 0,6мм.
Полученной результат коррелирует с результатами теоретического расчёта аналогичного узла, где количества циклов до разрушения составило 3082 и место расположение усталостной трещины находится в зоне максимальных эквивалентных напряжений равных 335,6 МПа.
Рис. 7. Разрушения на образце с катетом шва 8 мм
Признаки усталостного разрушения на образце с катетом шва 8мм наблюдаются на сварных швах как показано на рисунке 7.
Разрушение второго типа образцов с высотой катета сварного шва 8мм произошло при 1761 циклах нагружения, в форме усталостной трещины сварному шву длиной 16мм и шириной 0,6 мм.
Полученной результат коррелирует с результатами теоретического расчёта аналогичного узла, где количества циклов до разрушения составило 1943 и место расположение усталостной трещины находится в зоне максимальных эквивалентных напряжений равных 382,4 МПа.
Результаты испытания долговечности в деталях усиления показывают большее количество циклов нагружения до появления признаков усталостного разрушения, на образцах с малыми катетами что также подтверждает вывод о большей несущей способности сварных соединений с малым катетом шва.
По окончанию всех испытаний данные о количестве циклов до разрушения были сведены в таблице 1 для дальнейшего анализа.
Таблица 1
Результат экспериментальное исследование
|
сечения |
Нагрузка, Н |
Катет шва, мм |
Количество циклов |
|
Образца до усиления |
|||
|
18Б1х 25 К1 |
68646,55 |
6 |
166 |
|
18Б1х 25 К1 |
68646,55 |
8 |
94 |
|
Образца после усиления с помощью накладок |
|||
|
18Б1х 25 К1 |
68646,55 |
6 |
2836 |
|
18Б1х 25 К1 |
68646,55 |
8 |
1761 |
Выводы.
Экспериментально подтверждено влияния уровня остаточных сварочных напряжений на усталостную прочность рамных узлов строительные металлоконструкций, усиленных под нагрузкой, заключающееся в выборе способов усиления зданий в ходе эксплуатации.
Обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность применения сварных швов малых катетов при проведении работ по усилению рамных узлов строительных металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях динамические нагрузки, при этом можно прогнозировать повышение их усталостной прочности до 30 %.
Из данного наблюдения можно сделать вывод, что уменьшение расхода наплавленного металла в швах сварных соединений, при проведении работ по усилению металлических конструкций способствует повышению их надежности и обеспечивает возможность получения оптимального проектного решения.
Кроме того, используя метод усиления металлоконструкции при помощи наращивания сечений, следует рекомендовать к применению сварные швы малых катетов, а при недостаточной площади сварного соединения увеличивать длину сварных швов.
1. Аль-Сабаеи А.К., Абсиметов В.Э. Оценка надёжности усиления рамных узлов строительных металлоконструкций при динамические нагрузки // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2024. №11. С. 16–25. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-11-33-41
2. Лихтарников Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций. – М.: Стройиздат, 1979. 320 с.
3. Дзюба А.С., Липин Е.К. Оптимальное проектирование силовых конструкций минимального объема при ограничениях по прочности и устойчивости // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Т. 11. № 1. С. 58–71.
4. Гинзбург А.В., Василькин А.А. Постановка задачи оптимального проектирования стальных конструкций // Вестник МГСУ. 2014. № 6. С. 52–62.
5. Морозова Д.В., Серова Е.А. Проблематика исследования напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций // Вестник МГСУ. 2014. № 5. С. 44–50.
6. Doyle James F., Phillips James W. Manual on Experimental Stress Analysis. Fifth Edition. – Society for Experimental Mechanics, 2015 [Электронный ресурс]. URL: http://courses.washington.edu/ me354a/photoelas.pdf (дата обращения 10.10.2015).
7. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В., Белый Г.И., Металлические конструкции. Конструкции зданий: Учеб. для строит, вузов, т. 2, Г. В.В., Ред., Москва: Высшая школа, 2002.
8. Dimitrescu A., Baciu F. The Variation of the Fatigue Curve of Different Surface Preparation Technologies of Aluminum Alloys 6rd Symposium “Durability and Reliability of Mechanical Systems” 2013. Pp. 213–218.
9. Web-site: http://www.instron.com – accessed on 28.05.2016.
10. Zhang Y., Chen W., Yan H., Wang X., Zhang H., Wu S. The Effect of Atmospheric Chloride Ions on the Corrosion Fatigue of Metal Wire Clips in Power Grids, MDPI 2023. Pp. 237–251.
11. Вахромеев А.М. Определение циклической долговечности материалов и конструкций транспортных средств: метод. указания. М.: МАДИ, 2015. 64 с.
12. Трощенко В.Т., Хамаза Л.А. Усталость и циклическая неупругость аустенитной стали после длительной эксплуатации при различных режимах нагружения // Проблемы прочности. 2012. №5. С. 5–14.
13. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: Наукова думка, 1981. 344 с.
14. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М.: Наука, 2015. 484 с.
15. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение, 1964. 275 с.
16. Абакумов Р.Г., Аль-Сабаеи А.К., Оценка уровня надежности вариантов усиления строительных металлоконструкций с использованием математической модели вероятности их безотказной работы // Вестник БГТУ. 2021. № 7. С. 44–50. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-6-7-44-50
17. Аль-Сабаеи, А.К., Обоснование методов усиления строительных металлоконструкций при динамических нагрузках // Сборник научных трудов 5-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров. Редколлегия: С.В. Дубраков (отв. ред.) [и др.]. Курск, 2021. С. 16–21.
18. Усталостная испытательная система модели 8801 [Электронный ресурс]. Электрон. дан. INSTRON, 2020. URL.: https://www.instron.ru/ru-ru/products/testing-systems/dynamicand-fatigue-systems/servohydraulic-fatigue/8801-floor-model (дата обращения: 28.03.20).
19. Аль-Сабаеи А.К. Расчет многоцикловой усталости рамных узлов // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона» 2024. №2. [Электронный ресурс]. ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2024/9003.
20. Аль-Сабаеи А.К., Абсиметов В.Э. Расчет НДС рамных узлов строительных металлоконструкции при их усилении // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2024. №4. С. 26–35. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-4-26-35
