CC BY
24
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 624.014.2
Е.А. Мойсейчик, С.Д. Шафрай*
ФГБОУВПО «НГАСУ» (Сибстрин), *ФГБОУВПО «НГАХА»
ДЕФОРМАЦИОННОЕ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕ В СДВИГАЕМЫХ ПЛАСТИНАХ С КОНСТРУКТИВНЫМИ ДЕФЕКТАМИ
Экспериментально показано, что конструктивные дефекты в сдвигаемых элементах конструкций приводят к локализации деформаций в зоне дефектов, средняя температура поверхности стали у дефектов при деформировании может повышаться на несколько десятков градусов и предопределять зарождение и развитие очагов разрушения в пластине, нагруженной сдвигающими усилиями.
Ключевые слова: дефекты в пластине, сдвиг, нагружение, образование тепла при деформировании, разрушение.
В приопорных отсеках стенок балок, рамных и арочных конструкций стенка работает как пластина, испытывающая действие нормальных и касательных напряжений. После потери местной устойчивости стенка в отсеках, где действуют в основном поперечные силы, работает иначе, чем в традиционных конструкциях, и способна воспринимать дополнительные нагрузки. Использование закритической стадии работы пластинки, например, в тонкостенных балках, позволило при обеспечении их работоспособности добиться существенного снижения расхода стали на конструкцию [1]. Работа стальной пластинки на сдвиг используется и в различных типах поглотителей (демпферов) сейсмической энергии [2]. Предельным состоянием для указанных случаев работы пластинки в составе балочных элементов конструкций на сдвиговые воздействия является потеря местной устойчивости при преимущественно упругой работе стали, а в энергопоглотителях — при пластической в условиях малоцикловой усталости.
В названных ситуациях при работе стальной стенки на сдвиг происходит превращение механической энергии деформирования, колебаний зданий, сооружений в тепловую. Особенности и природа деформационного теплообразования в растянутых элементах из низкоуглеродистой строительной стали с конструктивно-технологическими дефектами и других элементах рассмотрены в [3—10].
В настоящей статье на основании полученных авторами экспериментальных данных исследуется взаимосвязь разрушения пластин из низкоуглеродистой строительной стали, нагруженных по внешней кромке сдвигающими усилиями, с деформационным теплообразованием и уточняется влияние отдельных конструктивных дефектов в таких пластинах на процесс теплообразования и зарождение разрушения.
Образцы, особенности методики эксперимента
Общие виды образцов приведены на рис. 1. Образцы квадратные, в плане со стороной 220 мм, полки образцов шириной 154 мм изготовлены из листовой стали ВСт3 толщиной 10 мм. Соединения стенки образцов с полками — сварные электродуговые, в среде углекислого газа.
Рис. 1. Общий вид сдвиговых образцов: а — без конструктивно-технологических дефектов в стенке; б — с отверстием в стенке диаметром 20 мм; в — с двумя отверстиями диаметром 16 мм в стенке; г — с двумя надрезами в окаймляющих полках; д — с двумя боковыми вырезами в стенке; е — с 10 отверстиями диаметром 10 мм в стенке
В процессе экспериментальных исследований нагружение образцов производилось в лабораторных условиях, квазистатически, растягивающим усилием до разрушения на испытательной машине Р-100 с записью диаграммы нагрузка — удлинение (рис. 2). Данные машинных диаграмм испытанных образцов, обработанные в программе Excel, приведены на рис. 3. Испытания и обработка данных проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1497. Процесс деформирования образцов отображался в термофильмах с помощью компьютерного термографа «ИРТИС-2000» (рис. 2), а обработка результатов
велась программным пакетом IRTIS. Отдельные кадры термофильмов и изменение температуры при нагружении для образца с двумя боковыми вырезами в стенке (см. рис. 1, д) показаны на рис. 4, 5. Изменения нагрева сдвиговой пластины при нагружении для других образцов получались аналогично.
Рис. 2. Общий вид подготовленного к испытанию сдвигового образца и компьютерного термографа «ИРТИС-2000»
X 800 .....
Ш 700
О 10 20 30 40 50 60
Удлинение, мм
Рис. 3. Диаграммы усилие — удлинение по данным растяжения экспериментальных сдвиговых образцов в машине Р-100: 1 — образец рис. 1, г; 2 — образец рис. 1, д; 3 — образец рис. 1, в; 4 — образец рис. 1, а; 5 — образец рис. 1, б; 6 — образец рис. 1, е
Результаты эксперимента и их обсуждение
Образцы без конструктивно-технологических надрезов (см. рис. 1, а). Изменение температуры поверхности таких образцов при нагружении происходило следующим образом. На начальной стадии нагружения (упругая работа стали) температура поверхности близка к равномерной. В окрестности нагруженных сдвигающими усилиями кромок температура несколько ниже, чем в середине пластины. Это является результатом повышенного отвода теплоты в более холодные окаймляющие пластины. При дальнейшем деформировании диагональ в направлении растягивающей силы увеличивается, а диагональ в перпендикулярном направлении уменьшается. Возникающие из-за сжатия в
ВЕСТНИК
МГСУ-
направлении, перпендикулярном к оси действия нагружающего усилия, изгиб-ные напряжения вызывают дополнительное охлаждение в растянутых кромках и нагрев — в сжатых. Значительное повышение температуры в средней части пластины, в области образования волн с растянутыми кромками, происходит в предельной стадии при упругопластической работе материала.
10.61
10.16
12.69 а" 11.66
Г 8.17
23,56
32.46
I {
кШ
\ 47.1 8.17 \ 1ё.37
17.89
40,66 8.29
Рис. 4. Кадры термофильма деформационного нагрева образца № 18.3
Рис. 5. Термограмма образца № 18.3 (а) и графики изменения (б) температуры поверхности сдвигаемой пластины в направлении распространения трещины (отрезок 10,04—9,83, кадр 70), (в) графики изменения температуры точек поверхности образца, расположенных на отрезке 10,04—9,83 за время нагружения образца (249,2 с, кадры от 0 до 107)
Пластины с конструктивными дефектами. При упругой стадии работы пластины с одним отверстием (см. рис. 1, б) распределение температуры по поверхности пластины равномерное. Увеличение деформационного нагрева в окрестности отверстия происходит при появлении и развитии пластических деформаций в средней части пластины и превращении круглого отверстия в овальное. При дальнейшем деформировании появляется зона предразрушения и на расстоянии нескольких миллиметров от кромки отверстия возникает зона локального повышения температуры поверхности. На графике 5 (см. рис. 3)
этому состоянию соответствует наибольшая величина растягивающей силы. При дальнейшем деформировании жесткость пластины снижается, величина деформирующей силы уменьшается в соответствии с ходом ниспадающей ветви кривой 5 (см. рис. 3) и происходит понижение температуры поверхности пластины. На рис. 6 показан вид экспериментальной пластинки после потери устойчивости. Видно, что зарождение и развитие трещины происходило в пластине, потерявшей местную устойчивость.
Рис. 6. Общий вид образца № 18.3 после разрушения
Пластины с боковыми вырезами (см. рис. 1, д). Изменение температуры поверхности такой пластины при нагружении приведено на кадрах рис. 4, 5, откуда следует, что уже при упругой стадии работы пластины вырез вносит искажение в распределение температуры по поверхности (кадр 45 на рис. 4). Деформационное охлаждение стали у устья надреза при упругой работе находится в пределах погрешности термографа (0,05 °С). Полосы скольжения, инициированные вырезом, приводят к увеличению деформационного нагрева в окрестности выреза. Появление пластических деформаций в вершине надреза сопровождается заметным локальным повышением температуры, которое с зарождением трещины в этой зоне превышает температуру поверхности примыкающих участков более чем в 2 раза (кадр 59 на рис. 4). Процесс развития трещины сопровождается дальнейшим повышением локальной температуры поверхности стали в зоне пластических деформаций. При этом «пятно» локального повышения температуры в период роста трещины опережает видимую вершину трещины на 6...8 мм и разогревается до 47,11 °С и более (кадр 62 на рис. 4). На рис. 5, б, в это отражено увеличением наклона кривой изменения температуры при приближении к вершине надреза. На графике 2 (см. рис. 3) наибольшая величина растягивающей силы соответствует стадии зарождения трещины в вершине надреза.
На ниспадающей ветви кривой 2 (см. рис. 3) мощность деформационных источников тепла снижается, и происходит понижение температуры поверхности пластины. На рис. 6 показаны виды экспериментальной пластины после потери устойчивости. Видно, что при движении трещины скола происходит периодический поворот фронта трещины относительно срединной плоскости пластины.
Cдвиговой образец с двумя надрезами в окаймляющих полках (рис. 1, г). При упругой стадии работы пластины надрез в полке вносит искажение в рас-
пределение температуры по поверхности и вызывает локальный деформационный нагрев. Пластические деформации в вершине надреза сопровождаются повышением температуры в зоне предразрушения до 27,45 °С, а при развитии трещины — до 44,0 °С.
Образец с двумя и более отверстиями в стенке и надрезами в полках (см. рис. 1, в, е). При упругой и начале упругопластической стадиях работы пластины с двумя отверстиями; на распределении температуры отверстия надрезы не сказываются. Локальный деформационный нагрев в стенке появляется после разрушения полки и зарождения в ней зоны предразрушения. Это показывает, что на способность стенки образца включаться в работу на сдвиг сильно влияет жесткость окаймляющей полки. Сдвиговые деформации стенки на участках, примыкающих к полкам, затруднены. Их развитие происходит в центральной части стенки. Поэтому отверстия, расположенные у полок, не сказываются на изменении теплового поля поверхности пластины (стенки). На графике 3 (см. рис. 3) наибольшая величина растягивающей образец силы соответствует стадии предразрушения и зарождению трещины. Зарождение и развитие трещины в пластине с двумя отверстиями происходило по механизму квазихрупкого излома.
При большем количестве отверстий в образце, расположенных вдоль сварного шва соединения стенки с полкой образца, стенка на сдвиг работает аналогично предыдущему случаю. Повышенная жесткость образца, препятствуя развитию пластических деформаций в стенке, может вызвать разрушение образца в захватах испытательной машины. Такое разрушение сопровождается значительным повышением температуры в растянутом захвате образца и в зоне разрушения.
Вывод. Конструктивно-технологические дефекты в сдвигаемых элементах конструкций приводят к локализации деформаций в зоне дефектов, особенно при упругопластической и пластической работе стали, средняя температура поверхности стали при деформировании может повышаться на несколько десятков градусов и предопределять зарождение и развитие очагов разрушения в пластине, нагруженной сдвигающими усилиями.
Библиографический список
1. Волкова В.Е., Макарова А.А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния балки с гибкой стенкой // Металлические конструкции. 2011. Т. 17. № 4. С. 261—269.
2. Остриков Г.М., Максимов Ю.С. Стальные сейсмостойкие каркасы многоэтажных зданий. Алма-Ата : Казахстан, 1985. 120 с.
3. Мойсейчик Е.А. Исследование теплообразования и зарождения разрушения в стальной растянутой пластине с конструктивно-технологическим дефектом // Прикладная механика и техническая физика. 20i3. № i. С. 134—142.
4. Wells A.A. The Mechanics of Notch Britle Fracture // Welding Research. 1953. V. 7. № 2. Pp. 34—56.
5. Maugin G.A. The thermomechanics of plasticity and fracture. Cambridge : Cambridge University press. 1992. 350 p.
6. Pasternak H., Müller L. Thermovision — Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Dehnungsanalyse beanspruchter Stahlbauteile // Stahlbau. 2002. 71. Н. 7. Pp. 523—536.
7. PasternakH., MüllerL. Untersuchung des thermospastischen Verhaltens verschiedener Baustoffe mit Hilfe der Thermovision // Bauingenieur. 2003. 78. Pp. 221—230.
8. Weichert R., Schoenert K. Heat generation at the tip of a moving crack // J. Mech. Physics Solids. 1978. 26. Pp. 151—161.
9. Шафрай С.Д., СергеевА.В. Синергетический подход к описанию квазихрупкого разрушения стальных конструкций // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1990. № 8. С. 11—15.
10. Мойсейчик Е.А., Шафрай С.Д. О деформационном теплообразовании в элементах стальных строительных конструкций из низкоуглеродистой стали // Известия вузов. Строительство. 2012. № 7/8. С. 101—109.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторах: Мойсейчик Евгений Алексеевич — кандидат технических наук, доцент, докторант, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «НГАСУ» (Сибстрин)), 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, emoisseitchik@mail.ru;
Шафрай Сергей Дмитриевич — доктор технических наук, профессор кафедры строительного производства, ФГБОУ ВПО «Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия» (ФГБОУ ВПО «НГАХА»), 630099, г. Новосибирск, Красный проспект, д. 38, shafray.sd@yandex.ru.
Для цитирования: Мойсейчик Е.А., Шафрай С.Д. Деформационное теплообразование в сдвигаемых пластинах с конструктивными дефектами // Вестник МГСУ 2013. № 9. С. 7—15.
E.A. Moyseychik, S.D. Shafray
DEFORMATION-INDUCED HEATING OF SHIFTED PLATES HAVING STRUCTURAL DEFECTS
The article is based on the authors' experimental research into dependence between destruction of plates made of low-carbon structural steel, if loaded along their outer edge by the shearing force, whereby the loading is accompanied by deformation-induced heat generation. The authors provide more accurate data on the influence of patterns of particular structural defects on heat generation and initiation of destruction.
The experiments conducted by the authors have proven that structural defects of shifted structural elements cause localization of deformations in the zone of defects, whereas the average temperature of the steel surface in the zone of defects may go up by several dozens of degrees and predetermine initiation and development of the seat of destruction in the place exposed to shear forces.
Structural defects of shifted elements of structures cause localization of deformations in the zones of defects, especially in the event of elastoplastic and plastic behaviour of steel, while the average temperature of the steel surface exposed to deformations may increase by several dozens of degrees and pre-determine the pattern for development of destructions.
Key words: defects in the plate, shift, loading, heat generation during deformation, destruction.
References
1.Volkova V.E., Makarova A.A. Chislennoe modelirovanie napryazhenno-deformirovan-nogo sostoyaniya balki s gibkoy stenkoy [Numerical Modeling of the Stress-strain State of a Beam Having a Flexible Wall]. Metallicheskie konstruktsii [Metal Structures]. 2011, vol. 17, no. 4, pp. 261—269.
2. Ostrikov G.M., Maksimov Yu.S. Stal'nye seysmostoykie karkasy mnogoetazhnykh zdaniy [Earthquake-resistant Steel Frames of Multi-storied Buildings]. Kazakhstan, Alma-Ata, 1985, 120 p.
3. Moyseychik E.A. Issledovanie teploobrazovaniya i zarozhdeniya razrusheniya v stal'noy rastyanutoy plastine s konstruktivno-tekhnologicheskim defektom [Research into Heat Generation and Initial Destruction of a Stretched Steel Plate Having a Structural Defect]. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika [Applied Mechanics and Applied Physics]. 2013, no. 1, pp. 134—142.
4. Wells A.A. The Mechanics of Notch Brittle Fracture. Welding Research, 1953, vol. 7, no. 2, pp. 34—56.
5. Maugin G.A. The Thermomechanics of Plasticity and Fracture. Cambridge, Cambridge University Press, 1992, 350 p.
6. Pasternak H., Müller L. Thermovision — Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Dehnungsanalyse beanspruchter Stahlbauteile. Stahlbau, 2002, 71, no. 7, pp. 523—536.
7. Pasternak H., Müller L. Untersuchung des thermospastischen Verhaltens verschiedener Baustoffe mit Hilfe der Thermovision. Bauingenieur, 2003, 78, pp. 221—230.
8. Weichert R., Schoenert K. Heat Generation at the Tip of a Moving Crack. J. Mech. Physics Solids, 1978, no. 26, pp. 151—161.
9. Shafray S.D., Sergeev A.V. Sinergeticheskiy podkhod k opisaniyu kvazikhrupkogo razrusheniya stal'nykh konstruktsiy [Synergetic Approach to Description of Quasi-fragile Destruction of Steel Structures]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Institutions of Higher Education. Construction and Architecture] 1990, no. 8, pp. 11—15.
10. Moyseychik E.A., Shafray S.D. O deformatsionnom teploobrazovanii v elementakh stal'nykh stroitel'nykh konstruktsiy iz nizkouglerodistoy stali [On Deformation-induced Heat Formation in Steel Structures Made of Low-carbon Steel]. Izv. vuzov. Stroitel'stvo. [News of Institutions of Higher Education. Construction] 2012, no. 7/8, pp. 101—109.
About the authors: Moyseychik Evgeniy Alekseevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Doctoral Student, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (NGASU (Sibstrin)), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 930008, Russian Federation; emoisseitchik@mail.ru;
Shafray Sergey Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of buildig production, Novosibirsk State Academy of Architecture and Arts (NGAHA), 38 Krasnyy prospekt, Novosibirsk, 930099, Russian Federation; shafray.sd@yandex.ru.
For citation: Moyseychik E.A., Shafray S.D. Deformatsionnoe teploobrazovanie v sd-vigaemykh plastinakh s konstruktivnymi defektami [Deformation-induced Heating of Shifted Plates Having Structural Defects]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 7—15.
