ДЕФОРМИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ С ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 621.791.05:691.87 Б01: 10.22227/1997-0935.2021.3.294-305

Деформирование стальных стержней периодического профиля с эксплуатационными повреждениями

Е.А. Мойсейчик, Ю.В. Василевич, А.Е. Мойсейчик, А.М. Язневич, А.А. Яковлев

Белорусский национальный технический университет (БНТУ); г. Минск, Республика Беларусь

АННОТАЦИЯ

Введение. В поперечных и продольных сечениях стержней периодического профиля имеются слои с различными структурно-фазовыми состояниями, физико-механическими характеристиками, напряженным состоянием и сопротивлением внешним воздействиям. Возникновение пластических деформаций в основаниях впадин и других дефектов периодического профиля при растяжении стержней приводит к снижению сопротивляемости коррозионным поражениям вследствие возникновения гальванических пар между неоднородными участками стержня. Это делает актуальными расчетные и экспериментальные исследования деформированного состояния таких стержней при растяжении.

Материалы и методы. Конечно-элементное моделирование процесса деформирования при упругопластической N N работе стали выполнялось с использованием программно-вычислительного комплекса ДЫЗУЗ и твердотельных

(Ч (Ч моделей исследуемых стержней. Экспериментальные испытания образцов производились с помощью разрывной

^ машины Р-50 с записью диаграммы «нагрузка-удлинение» в соответствии с ГОСТ 1497. Процесс деформирования

¡^ ф образцов отображался фотофиксацией. После разрушения образцов измерялись геометрические размеры (длины,

О з изменения поперечных сечений), фотографировались характерные виды образцов и их фрагментов, изломы.

с и Результаты. На экспериментальных и конечно-элементных моделях получено, что при упругопластическом дефор-

3 мировании стальных стержней в опасных сечениях изменение угла наклона берегов периодических выступов (вы-

® ^ точек) влияет на объем пластически деформируемого материала в основании выточек. Такой анализ моделей в пре-

2 (и дельном состоянии показал, что значительно сокращается объем пластически деформированного материала при

Е углах выступов у их оснований с осью стержня, близких к 90°. Расчетом установлено, что пластически деформируе-

О .5 мая область у основания острых выточек более чем в сто раз меньше, чем соответствующий объем у основания

пологих выточек.

Выводы. Конечно-элементное моделирование работы на растяжение стальных стержней периодического профиля с квазикомпозитной структурой представляет сложную многофакторную задачу. Во впадинах периодического профиля развиваются пластические деформации. Одновременно в металле выступов сохраняются недеформированные £..2 области. Эти зоны имеют разные потенциалы, и между ними возможно возникновение внутренних гальванических

токов, приводящих к ускорению коррозионных процессов.

I I

Ф 0}

о о CD

CD S

S «

см 5

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: слоистые арматурные стержни, конструктивные и коррозионные дефекты, моделирование го дефектов выточками, компьютерное моделирование дефектов, сопротивляемость деформированию, остаточные

§ напряжения, локальная коррозия

wl

ОТ Е ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: МойсейчикЕ.А., Василевич Ю.В., МойсейчикА.Е., Язневич А.М., Яковлев А.А. Деформиро-

с ^ вание стальных стержней периодического профиля с эксплуатационными повреждениями // Вестник МГСУ. 2021.

■i Я Т. 16. Вып. 3. С. 294-305. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.3.294-305

Ol и ^ с ю °

S 1

о ЕЕ

О) ^ т- ^

от от

(9

Deformation steel rods periodic profile with operational damages

Evgeny A. Moiseichik, Yuri V. Vasilevich, Aliaksandr E. Moiseichik, Aliaksei M. Yaznevich, Aliaksandr A. Yakauleu

?î Э Belarusian National Technical University (BNTU); Minsk, Republic of Belarus

L W

ABSTRACT

Introduction. In the transverse and longitudinal sections of the rods with a periodic profile, there are layers with different

x c

jj structural and phase states, physical and mechanical characteristics, stress state and resistance to external influences.

® jp The appearance of plastic deformations in the bases of the depressions and other defects of a periodic profile during stre-

tching of the rods leads to a decrease in the resistance to corrosion damage due to the occurrence of galvanic pairs between

U >

© Е.А. Мойсейчик, Ю.В. Василевич, А.Е. Мойсейчик, А.М. Язневич, А.А. Яковлев, 2021 Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

с эксплуатационными повреждениями

inhomogeneous sections of the rod. This makes the computational and experimental studies of the deformed state of such rods under tension urgent.

Materials and methods. The finite element modeling of the deformation process during the elastic-plastic work of steel was carried out using the ANSYS software complex and solid models of the rods under study. Experimental tests of the samples were carried out using an R-50 tensile testing machine with the recording of a load-elongation diagram in accordance with the requirements of GOST 1497. The process of deformation of the samples was displayed by photographic recording. After the destruction of the samples, the geometric dimensions (lengths, changes in cross-sections) were measured, the typical types of samples and their fragments, and fractures were photographed.

Results. On experimental and finite-element models, it was found that during elastic-plastic deformation of steel rods in dangerous sections, a change in the angle of inclination of the banks of periodic protrusions (undercuts) affects the volume of plastically deformable material at the base of the undercuts. Such an analysis of the models in the limiting state has shown that the volume of the plastically deformed material is significantly reduced at the angles of the protrusions at their bases with the axis of the rod close to 900. The calculation established that the plastically deformed area at the base of sharp undercuts is more than a hundred times smaller than the corresponding volume at the base of the gently sloping undercuts. In samples with a group of protrusions, constraint of plastic deformations at the base occurs only for protrusions, the width of which is comparable to the diameter of the rod in weakened sections. The greatest development of equivalent plastic deformations is observed at the base between narrow projections. Damage to the outer layers of quasi-composite rods with a periodic profile causes significant changes in the stress-strain state of the rods under tension.

Conclusions. The finite element modeling of the tensile work of steel rods with a periodic profile with a quasi-composite structure is a complex multifactorial problem. Plastic deformations develop in the depressions of the periodic profile. At the same time, undeformed areas remain in the metal of the protrusions. These zones have different potentials and between them the occurrence of internal galvanic currents is possible, leading to the acceleration of corrosion processes.

KEYWORDS: layered reinforcing bars, structural and corrosion defects, modeling of defects by grooves, computer modeling of defects, resistance to deformation, residual stresses, localized corrosion

FOR CITATION: Moiseichik E.A., Vasilevich Yu.V., Moiseichik A.E., Yaznevich A.M., Yakauleu A.A. Deformation steel rods periodic profile with operational damages. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(3):294-305. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.3.294-305 (rus.).

ВВЕДЕНИЕ

Для различных железобетонных конструкций широко используют термоупрочненную стальную арматуру [1], сечения которой имеют квазикомпозитное (слоистое) строение [2-6]. Слоистость стержней возникает в процессе металлургического производства [7-10] и определяется различиями в условиях структурообразования в металле приповерхностных и внутренних слоев. В поперечных и продольных сечениях таких стержней формируются слои с различными структурно-фазовыми состояниями и физико-механическими характеристиками [2-6, 11-13]. После охлаждения в потоке стана поверхностные слои стержней могут находиться в растянутом состоянии, а внутренние — в сжатом. В работе [14] показано, что чувствительность термообработанных арматурных стержней класса прочности А600 к коррозионному растрескиванию под напряжением в растворах нитратов в значительной степени определяется химическим составом, типом микроструктуры и уровнем остаточных напряжений. Коррозионная стойкость стальной арматуры более высоких классов прочности ниже, чем для А600 [14]. В работе [15] установлено решающее значение уровня остаточных напряжений на растрескивание термоупрочненных сталей в растворе нитратов. При испытаниях в растворах кислот снижение величины остаточных напряжений неоднозначно воздействует на чувствительность стали к коррозии [15]. В статье [16] изложены результаты исследования распределения остаточных напряжений в стальных арматурных стержнях диаметром 16 и 28 мм разных производителей, изготовленных с помощью термомеханиче-

ского процесса. Авторы делают вывод, что напряжения сжатия существуют во внутренней части поперечного сечения арматурных стержней, а напряжения растяжения — вблизи или даже на их поверхности.

При испытаниях в растворах кислот снижение величины остаточных напряжений неоднозначно влияет на чувствительность стали к коррозии [15]. В работе [17] рассмотрено влияние режимов отпуска на длительную прочность низкоуглеродистых крем-немарганцевых арматурных сталей марок 18ГС, 20ГС и 35ГС при эксплуатации в агрессивных водородсо-держащих средах. Сделан вывод, что эффективность различных способов термической обработки арматурных сталей с целью повышения их сопротивляемости коррозионно-механическому разрушению зависит от особенностей агрессивной среды, наличия неоднородной гетерофазной структуры металла арматуры и других факторов.

Развитию коррозионных поражений арматуры способствуют концентраторы напряжений и деформаций. Экспериментальные данные, полученные в работе [18], показали, что в условиях коррозионной усталости металл на дне выточки (концентратора) принимает более низкие значения потенциалов, чем берега выточки. Вследствие этого при соприкосновении с электролитом (растворы солей и т.д.) возникает электрохимический процесс, в котором анодом служит дно концентратора напряжений, а катодом — остальная поверхность стержня. Наличие деформированных участков в стержнях (хо-лоднокатанная арматура, вмятины и т.д.) приводит к появлению разности потенциалов между деформированными и недеформированными участками

< п

tT

iH О Г

0 w

t CO

1 z y 1

J CD

u -

r i

i 3

0 i

01

o n

со со

n NJ

i 66 t (

1°

• ) n

<D

0>

. DO ■ £

s □ (Л У

с о <D Ж WW

2 2 О О 10 10

сч N О О N N

(О (О ¡г (V U 3 > (Л

с и

U (О <0 ф

Ü!

<U <D

о ё

стержня [19] и развитию локального коррозионного процесса. Появляющиеся коррозионные ямки (петтинг) особенно опасны при их расположении в зоне растянутых напряжений. В работе [20] установлено, что глубина локального (ямочного) поражения стальной арматуры, работающей в бетоне, в четыре-во-семь раз превышает среднюю коррозию. Ямочные поражения арматуры приводят к ускоренному ее коррозионному разрушению [21] и снижению прочности стержней.

Цель настоящей работы — расчетно-экспериментальное исследование:

• деформирования стальных стержней с поверхностным периодическим строением;

• изменения напряженно-деформированного состояния квазикомпозитной стальной арматуры с эксплуатационным дефектом (коррозионная язва).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследовать особенности упругопластического деформирования стальных стержней и распределения энергии в опасных сечениях стержня можно на примере моделей с одиночной выточкой (рис. 1) и группой таких выточек, расположенных по длине стержня [22]. При изменении отношения all возможно конечно-элементным методом смоделировать различные дефекты при упругопластической работе стали в процессе растяжения стержня. Конечно-элементное моделирование процесса деформирования при упругопластиче-ской работе стали выполним с использованием программно-вычислительного комплекса ANSYS. Твердотельные модели исследуемых стержней примем в виде осесимметричных образцов типа Людвика -

Шея (Р. Ludwik, R. Scheu) [23]. Классические образцы Людвика - Шея [23] позволяют установить поведение пластичной стали в образцах, стеснение пластической деформации в сечении с конструктивными дефектами. Эксперименты, проведенные Людвиком и Шеем [23], показали, что величина предельной энергии деформации в опасном сечении существенно зависит от наличия концентраторов в образце.

Для построения твердотельных моделей исследуемых образцов типа Людвика - Шея [23] применялась программа геометрического моделирования SolidWorks.

На рис. 2 приведен стержень круглого сечения с различной вариацией концентраторов. Выполненные модели сохранялись в формате «.x_t» (формат Parasolid), который впоследствии используется для импорта сторонней геометрии в ANSYS. Вид используемой конечно-элементной сетки представлен на примере образца b на рис. 3. Модель выполнена из 20 узловых гексаэдральных элементов с их измельчением в области выточки. Размер конечных элементов в области концентрации не превышает 0,4 мм.

В процессе расчетов используется критерий (теория) прочности Губера - Мизеса, который позволяет достаточно точно прогнозировать появление стадии пластичности для упругопластического моделирования и удовлетворительно отображает предельное состояние пластичных сталей [22]. Материал расчетных моделей образцов наделялся следующими характеристиками: плотность материала 7850 кг/м3; модуль Юнга 2 • 1011 Па; коэффициент Пуассона 0,3; полилинейная диаграмма растяжения (рис. 4). Для расчета применялись данные истинной диаграммы растяжения, учитывающей уменьшение

1 I

-1.- 1

fig r 1 /

--------§ --'1 1 ----Щ

Ü t 1

45

от "

от Е —

е §

• с LO О

Sg

о ЕЕ £ о

О) ^

Т-

z £ £

от °

■8 г

Е!

О И

Рис. 1. Схемы определения уклона берегов конструктивного надреза и расположения точек опасного сечения (ослабленного сечения) 1-1

Fig. 1. Schemes for determining the slope of the banks of the structural notch and the location of points of the dangerous section (weakened section) 1-1

Рис. 2. Вид твердотельных моделей с одиночными (a-f) и групповыми (gr) вырезами Fig. 2. View of solid models with single (a-f) and group (gr) cuts

Рис. 3. Вид конечно-элементной модели образца на участке конструктивного изменения формы Fig. 3. View of the finite element model of the sample in the area of structural shape change

поперечного сечения в процессе нагружения образца. В стадии пластической работы малоуглеродистая сталь подвергается большим деформациям. Программа ANSYS позволяет учитывать большие деформации при нелинейном поведении материалов. При расчете учитывались также следующие факторы: 1) увеличивающаяся с постоянным шагом нагрузка, с максимальным значением, соответствующим достижению предела прочности в области концентрации с точностью до 0,5 % от ов, и 2) жесткое защемление другого торца образца (в декартовой системе координат). Стержень нагружался на свободном торце (соответствует закреплению в подвижной траверсе испытательной машины). Значения прикладываемых нагрузок приведены в табл. 1. Для корректного решения в настройках решателя включена опция учета больших деформаций (Large Displacement Static).

Объем пластически деформированного металла в основании выточек определялся ручным подсчетом количества конечных элементов с эквивалентным напряжением, превышающим предел текучести стали.

Экспериментальные испытания образцов производились с использованием разрывной машины

Р-50 с записью диаграммы «нагрузка-удлинение». Испытания и обработка экспериментальных данных выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТ 1497. Процесс деформирования образцов отображался фотофиксацией. После разрушения образцов измерялись геометрические размеры (длины, изменения поперечных сечений), фотографировались характерные виды образцов и их фрагментов, изломы.

За основу для разработки конечно-элементного моделирования ямочных коррозионных поражений нами приняты арматурные стержни с номинальными диаметрами 12, 25 и 32 мм. Твердотельная модель стержней принималась в соответствии с рис. 5. Эффективность использования метода конечных элементов и достоверность результатов расчета напрямую зависят от точности описания геометрии изделия. В случае арматурного стержня процесс моделирования усложняется несимметричностью сечения. Вследствие несимметричности изделия, основным критерием оптимизации служит требование по уменьшению длины модели. Расчет с использованием метода конечных элементов осуществляли в программной среде АШУ8.

Физико-механические характеристики слоев задавались диаграммами деформирования путем вве-

< п

tT

iH

0 w

t CO

1 z У 1

J to U

r i

n °

» 3

о CJl

Рис. 4. Вид экспериментальной диаграммы о-е стали образцов a-f и gr Fig. 4. View of the experimental diagram о-е of steel samples a-f and gr

Табл. 1. Величины нагрузок на образцы a-f Table 1. Values of loads on sample a-f

Образец типа / Sample type a b c d e f

Нагрузка Pmax, кН / Load Pmax, kN 31,3 33,6 35,6 39,4 43,2 47,3

О о

CO CO

l\J CO

о

r 6

о о

0)

о

c n

• ) ¡1

<D

0>

№ DO

■ T

(Л У

с о <D Ж WW

2 2 О О 2 2

£

Краевая зона Краевая юна

Edge zone Edge zone

6*d

Рис. 5. Форма и структура твердотельной модели: 1-5 — основные визуально различимые по объему изделия слои материала

Fig. 5. The shape and structure of the solid model: 1-5 — the main layers of material visually distinguishable by the volume of the product

N N

о о

N N WW

* <D U 3

> (Л

с и

U (O <0 ф

i!

<D <D

о %

w

(Л

2 3

X '

дения координат ключевых точек. С целью обеспечения передачи внутренних силовых факторов между слоями применяли процедуру склейки. Для расчетов с учетом пластических деформаций и при существенном градиенте напряжений в малых объемах использовался конечный элемент (КЭ) УКС089 с 20 узловыми точками. Разбиение на сетку КЭ осуществлялось в автоматическом режиме с предварительным указанием количества КЭ на характерных ребрах модели. Для внутренних слоев использовались призматические элементы, так как тела представлены объемами простой формы. Наружный слой вследствие развитой его поверхности при наличии острых углов в месте стыка концов выступающих ребер с цилиндрической поверхностью разбивали на тетраэдральные КЭ. Для снижения эффекта неоднородности поля напряжений в местах сопряжения поверхностей применяли измельчение сетки.

Приращение во времени прикладываемой к образцу нагрузки производилось ступенями с постоянным шагом, равным 10 МПа распределенного усилия. Для обеспечения равномерности передачи нагрузки

<л

(Л

Е О

CL °

^ с

Ю О

S 1

о ЕЕ

СП ^

т- ^

по всем слоям усилия прикладывали распределенными по площади торцевых поверхностей. Максимальная величина давления принималась не выше временного сопротивления наиболее прочного слоя в образце. В качестве расчетной модели использовали стержневые конструкции, состоящие из набора цилиндрических вставок с различными физико-механическими свойствами. Поведение материала для каждого из слоев задавалось диаграммой деформирования. За расчетною модель был принят трехслойный стержень с коррозионной «язвой», которую моделировали в форме выреза сферического сегмента радиусом 30 мм и глубиной проникновения в тело стержня 3,5 мм (рис. 6). Физико-механические характеристики материалов задавали по результатам лабораторного испытания образцов при осевом растяжении. Для их определения исходный арматурный стержень обтачивали с обильным поливом охлаждающей жидкостью до нужного диаметра слоя. Растяжение образца задавалось перемещением точек правой торцовой поверхности (рис. 6) на величину 1 мм (их = 1 мм).

А-А

3 2 1

-Р-

L = 50 мм / mm

Az = 1 мм / mm

J5 Рис. 6. Геометрия стержня с коррозионной язвой: 1 — внутренний слой; 2 — промежуточный слой; 3 — наружный О (А

ф ф слой U >

Fig. 6. Geometry of the rod with a corrosion ulcer: 1 — the inner layer; 2 — intermediate layer; 3 — outer layer

z

А

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты конечно-элементного расчета деформаций и плотности накапливаемой энергии в окрестности сечения 1-1 (рис. 1) при нагружении моделей a-f представлены в табл. 2, 3. На рис. 7 приведено распределение эквивалентных пластических деформаций в предельном состоянии растянутых образцов серии gr. Как видно из эпюр табл. 2, изменение угла а наклона берегов выточек влияет на объем пластически деформируемого материала (образцы b-e) в ос-

новании выточки. По данным конечно-элементного расчета образцов Ь-е в стадии предразрушения получено, что особенно значительно сокращается этот объем при углах выточек а, близких к 90°. Расчет показал, что пластически деформируемая область у основания острых выточек более чем в сто раз меньше, чем соответствующий объем у основания пологих выточек. В образцах серии gr (рис. 7) стеснение пластических деформаций в основании происходит лишь для выточек, ширина которых сопоставима с диаметром стержня в ослабленных сечениях.

Табл. 2. Эпюры распределения эквивалентных пластических деформаций в предельном состоянии растянутых образцов

Table 2. Diagrams of the distribution of equivalent plastic deformations in the limiting state of stretched specimens

Тип образца Sample type

Эпюра распределения пластических деформаций в опасной зоне Diagram of the distribution of plastic deformations in the hazardous area

< П

tT

iH

О Г s 2

0 м t со

1 z y i

J CD

U -> i

n °

»8

о »

oî

о n

со со

n M » 0

>8

• ) (I

<D

0>

№ DO ■ £

s □

s У с о <D Ж WW

M M

о о 10 10

f

а

b

с

d

e

Табл. 3. Эпюры плотности энергии при пластическом деформировании образцов a-f в окрестности ослабленного сечения

Table 3. Diagrams of energy density during plastic deformation of samples a-f in the vicinity of the weakened section

Тип образца Sample type

Эпюры распределения плотности энергии при развитии пластических деформаций Energy density distribution plots during the development of plastic deformations

b

N N

о о

N N WW

* <D U 3

> (Л

с и

U (O <0 ф

i!

<D <D

о S

<л

(Л

E о

CL ° • с

ю о

S? ]s

о ЕЕ

fee

СП ^ т- ^

<л

(Л

> 1 £ w

f

МТМ ------ l 623214 ----- .Ш« ---- С64Ш .««57

Рис. 7. Распределения эквивалентных пластических деформаций в предельном состоянии растянутых образцов

U tf)

Ф JU серии gr ВО >

Fig. 7. Distribution of equivalent plastic deformations in the limiting state of stretched samples of the gr series

с

d

e

Наибольшее развитие эквивалентных пластических деформаций наблюдается в выточках между узкими ребрами.

Квазистатические испытания стальных образцов, отображающих расчетные модели (рис. 2), показали, что изменения остроты выточки наиболее заметно сказались на изломах образцов.

Рассчитанные в АКБУБ распределения плотности энергии а-/ в окрестности сечения 1-1 образцов приведены в табл. 3, из которой следует, что увеличение остроты концентраторов приводит к значительной локализации плотности энергии в корне надреза. В этих зонах возникают наиболее благоприятные условия для зарождения начальных трещин при статическом и усталостных нагружениях, развития пит-тинговой коррозии.

Из рис. 8 следует, что в изломах образцов доля скола уменьшалась от образца а к образцу / Растяжение образца / сопровождалось значительным стеснением пластических деформаций, вовлечением в пластическую работу примыкающих к выточке частей стержня. В изломе этого образца наблюдается развитие начальной кольцевой трещины примерно до половины диаметра ослабленного сечения с последующим доломом образца. Излом образцов серии gr (рис. 9) произошел в выточке, для которой характерны наибольшие эквивалентные пластические деформации. Узкие групповые выточки, примыкающие к зоне излома образца серии gr, являются одним из способов снижения концентрации напряжений в стержне [22, 23].

d

Рис. 8. Виды изломов образцов типа a-f Fig. 8. Kinds of breaks of samples of type a-f

f

Рис. 9. Вид излома образца типа gr и деформированных зон, примыкающих к излому Fig. 9. Kind of fracture of a sample of the gr type and deformed zones, adjacent to the break

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате расчета определялись компоненты тензоров напряжений, деформаций, распределение энергии деформирования, строились их распределения по слоям образца. В табл. 4 для примера приведены распределения осевых напряжений по объ-

< п

tT

iH О Г

0 w

t CO

1 z y i

J CD

U

r I

n °

C 3

0 CC

01

о n

CO CO

n NJ Ш 0

с 66

•) ml

®

0>

ему стержня (красный цвет — максимальные значения, фиолетовый — минимальные).

В итоге расчета получено, что изменение свойств наружных слоев путем термической обработки и коррозионного повреждения вносит изменения в характер распределения напряжений в локальном объеме непосредственно в окружении дефекта. Границы

№ ОН ■ т

(Я У

С о ® *

WW

2 2 О О 10 10

зоны влияния для образца зависят от диаметра стержня и размеров слоев. Численные исследования позволили установить, что зона влияния коррозионной язвы составляет 30-40 мм. Так, для стержня диаметром 12 мм изменения пронизывают большую часть его диаметра.

Изменения в напряженном состоянии объясняются двумя факторами: 1) концентрацией напряжений в окрестности «язвы»; 2) неравномерным распределением жесткости по сечению стержня и, как

следствие, смещением нейтральной линии относительно геометрического центра тяжести сечения, т.е. появлением эффекта внецентренного растяжения-сжатия, что подтверждено искривлением оси стержня в деформированном состоянии.

Для гладкого стержня при осевом растяжении с величиной деформаций 2 % максимальные осевые напряжения по слоям не зависят от диаметра стержня. Данные по компонентам напряжений по слоям всех типов стержней представлены в табл. 5.

Табл. 4. Распределение компонент тензора напряжений по стержню (осевые напряжения аг) Table 4. Distribution of stress tensor components over the bar volume (axial stresses аг)

d = 12 мм / mm

d = 25 мм / mm

d = 32 мм / mm

N N

о о

N N WW

* <D U 3

> (Л

с и

U (O <0 ф

<D <D

О %

Табл. 5. Распределение напряжений аг по слоям образца с коррозионной язвой Table 5. Distributions of stresses az by layers of a sample with a corrosion pit

Тип стержня Rod type Диаметр стержня, мм Rod diameter, mm Напряжение по слоям, МПа Layer stress, MPa

1 2 3

12 410/410 440/580 500/280 570/730 695/-180 -522/744

Коррозионная «язва» Corrosion pit 25 410/410 410/530 540/510 485/710 680/420 192/740

32 410/410 390/530 580/500 500/645 650/430 510/722

со " со E — -b^

^ W

E §

CL ° • с Ю °

S? g

о ЕЕ

fee

СП ^

~Z. £ £

ОТ °

>У 1

£ w

S1

О (Я

Изложенный в статье материал позволяет сделать следующие выводы.

1. Конечно-элементное моделирование работы на растяжение стального арматурного стержня с многослойной структурой представляет сложную многофакторную механико-химическую задачу. Одновременно в металле выступов сохраняются недеформированные области. Эти зоны имеют разные потенциалы, и между ними возможно возникновение внутренних гальванических токов, приводящих к ускорению коррозионных процессов.

2. Конечно-элементный анализ моделей в предельном состоянии продемонстрировал, что значительно сокращается объем пластически деформированного материала при углах выступов у их оснований с осью стержня, близких к 90°. Сопоставление объемов пластически деформированных областей у основания впадин стержней периодического

профиля показало, что пластически деформированный объем в основании острых выточек более чем в сто раз меньше, чем соответствующий объем у основания пологих выточек. В образцах с группой выступов стеснение пластических деформаций в основании происходит лишь для выступов, ширина которых сопоставима с диаметром стержня в ослабленных сечениях. Наибольшее развитие эквивалентных пластических деформаций наблюдается в основании между узкими выступами.

3. Воздействия на наружные слои стержней периодического профиля (сварочные воздействия, коррозионные повреждения) вносят изменения в характер распределения напряжений в объеме стержня у дефекта. Границы зоны влияния для образца зависят от диаметра стержня и размеров слоев. Уста -новлено, что зона изменения напряженного состояния для коррозионной язвы составляет 30-40 мм.

с эксплуатационными повреждениями

ЛИТЕРАТУРА

1. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М., 2000. 256 с.

2. Козлов Э.В., Плевков А.В., Юрьев А.Б., Громов В.Е. Кривые течения, механизмы разрушения и размерный эффект и малоуглеродистых низколегированных сталей с квазикомпозитной структурой // Известия высших учебных заведений. Физика. 2002. Т. 45. № 3. С. 49-60.

3. Юрьев А.Б., Чинокалов В.Я., Ефимов О.Ю., Мыскова Н.В., Прокофьева О. С. Структура термически упрочненной стержневой арматуры // Технология металлов. 2005. № 9. С. 5-7.

4. Чинокалов В.Я., Юрьев А.Б., Ефимов О.Ю., Михаленко И.А., Мыскова Н.В. Прочность структурных слоев в сечении термически упрочненной арматуры // Технология металлов. 2005. № 10. С. 15-19.

5. Большаков В.И., Шеремет В.А., Чайковская А.О., Гунькин И.А., Чайковский О.А. Взаимосвязь структурной неоднородности термически упрочненной арматуры с изменением твердости по сечению стержней // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. тр. Днепропетровск, 2006. С. 159-167.

6. Balogun S.A., Lawal G.I., Sekunowo O.I., Adeosun S.O. Influence of finishing temperature on the mechanical properties of conventional hot rolled steel bar // Journal of Engineering and Technology Research. 2011. Vol. 3 (11). Pp. 307-313.

7. Babich V.K. Technical fundamentals of the hardening and tempering of heavy forms of rolled product // Metal Science and Heat Treatment. 1987. Vol. 29. Pp. 836-838. DOI: 10.1007/BF00707753

8. Узлов И.Г., Савенков В.Я., Поляков С.Н. Термическая обработка проката. Киев : Техшка, 1981. 159 с.

9. Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко А.В. Высокопрочная арматурная сталь. М. : Металлургия, 1986. 272 с.

10. Натапов А.С., Левченко Л.Н., Баскин С.Л. Производство эффективных арматурных профилей для железобетона. М. : Металлургия, 1992. 208 с.

11. Большаков В.И., Чайковская А. О., Чайковский О.А., Шеремет В.А., Гунькин И.А., Журавлев И.И. Особенности изменения свойств по сечению термически упрочненной арматуры после повторного нагрева // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. № 3. С. 71-74.

12. FiratF.K. Mechanical properties of reinforcing steel in r/c: uncertainty analysis and proposal of a new material factor // Arabian Journal for Science and Engineering. 2016. Vol. 41. Pp. 4019-4028. DOI: 10.1007/ s13369-016-2077-7

Поступила в редакцию 22 декабря 2020 г. Принята в доработанном виде 1 марта 2021 г. Одобрена для публикации 11 марта 2021 г.

13. Ажермачев Г.А., Меннанов Э.М., Абду-рахманов А.З. Сварные стыки продольной арматуры класса А500С в каркасах сейсмостойких зданий и сооружений // Вшник Донбасько! нацюнально! академп будiвництва i архггектури. 2009. № 4 (78). С. 139-142.

14. Сергеев Н.Н., Извольский В.В., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Агеев Е.В. и др. Влияние микроструктурных факторов и термической обработки на коррозионную стойкость арматурной стали класса А600 // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. № 22 (2). С. 52-63. DOI: 10.21869/2223-1560-2018-22-2-52-63

15. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Агеев Е.В. Влияние режимов высокотемпературной термомеханической обработки на механические свойства арматурного проката // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. № 23 (2). С. 29-52. DOI: 10.21869/22231560-2019-23-2-29-52

16. Volkwein A., Osterminski K., Meyer F., Gehlen C. Distribution of residual stresses in reinforcing steel bars // Engineering Structures. 2020. Vol. 223. P. 111140. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111140

17. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Пантюхин О.В. Влияние режимов отпуска на длительную прочность арматурных сталей в водородсодержащих средах // Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. № 8. С. 94-107.

18. Рябченков А.В. Коррозионно-усталостная прочность стали. М. : Машгиз, 1953. 180 с.

19. Зарецкий Е.М. Влияние деформации на потенциалы металлов // Журнал прикладной химии. 1951. Т. XXIX. № 6. С. 615-623.

20. González J.A., Andrade C., Alonso C., Feliu S. Comparison of rates of general corrosion and maximum pitting penetration on concrete embedded steel reinforcement // Cement and Concrete Research. 1995. Vol. 25. Issue 2. Pp. 257-264. DOI: 10.1016/0008-8846(95)00006-2

21. Busba E. Effect of localized corrosion of steel on chloride-induced concrete cover cracking in reinforced concrete structures : graduate theses and dissertations. 2013. URL:http://scholarcommons.usf.edu/etd/4872

22. ВасилевичЮ.В., Мойсейчик А.Е. Закономерности деформирования образцов типа Людвика-Шея и образцов с групповыми выточками // Теоретическая и прикладная механика : междунар. науч.-техн. сб. Минск, 2016. № 31. С. 238-241.

23. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. М. ; Л. : ОНТИ, 1935. 418 с.

< п

tT

iH О Г

0 w

t CO

1 z y i

J CD

U ¡3

r i

n °

C 3

0 CC

01

o n

со со

n NJ

• ) n

<D

0>

№ DO ■ £

s У С о <D X WW

2 2 О О 2 2

Об авторах: Евгений Алексеевич Мойсейчик — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры мостов и тоннелей; Белорусский национальный технический университет (БНТУ); Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65; emoisseitchik@mail.ru;

Юрий Владимирович Василевич — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики и механики материалов; Белорусский национальный технический университет (БНТУ); Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65; РИНЦ ГО: 285557; tmech@bntu. Ьу;

Александр Евгеньевич Мойсейчик—кандидат технических наук, инженер; Белорусский национальный технический университет (БНТУ); Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65; tmech@ ЬПи.Ьу;

Алексей Михайлович Язневич—соискатель ученой степени; Белорусский национальный технический университет (БНТУ); Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65; sato@inbox.ru;

Александр Александрович Яковлев — старший преподаватель кафедры мостов и тоннелей; Белорусский национальный технический университет (БНТУ); Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65; РИНЦ ГО: 972401; mit_ftk@bntu.by.

REFERENCES

1. Madatyan S.A. Reinforcement for reinforced concrete structures. Moscow, 2000; 256. (rus.).

2. Kozlov E.V., Popova N.A., Ignatenko L.N., Teplyakova L.A., Klopotov A.A., Koneva N.A. Influence of the substructure type on the carbon redistribu-

n n tion in martensitic steel in the course of plastic deforma-tv N tion. RussianPhysicsJournal. 2002; 45(3):49-60. (rus.). « « 3. Yuriev A.B., Chinokalov V.Ya., Efimov O.Yu., o § Myskova N.V., Prokofieva O.S. The structure of ther-c ¡n mally hardened bar reinforcement. Tehnologia Metallov. J 4 2005; 9:5-7. (rus.).

4. Chinokalov V.Ya., Yuriev A.B., Efimov O.Yu.,

w Q

£ Mikhalenko I.A., Myskova N.V. Strength of structural o J layers in the section of thermally hardened reinforce> ment. Tehnologia Metallov. 2005; 10:15-19. (rus.). aT <u 5. Bolshakov V.I., Sheremet V.A., Chaikov-H skaya A.O., Gun'kin I.A., Tchaikovsky O.A. Relations' J| ship between the structural heterogeneity of thermally g £ hardened reinforcement and the change in hardness along 2 "o the cross-section of the rods. Construction, Materials

S c

co Science, Mechanical engineering : collection of articles cm ^

z .2 scientific works. Dnepropetrovsk, 2006; 159-167. (rus.).

6. Balogun S.A., Lawal G.I., Sekunowo O.I., Adeo-g sun S.O. Influence of finishing temperature on the me-

£= O

£ o chanical properties of conventional hot rolled steel bar.

o Journal of Engineering and Technology Research.

g g 2011; 3(11):307-313.

7. Babich V.K. Technical fundamentals of the hara> °

dening and tempering of heavy forms of rolled product.

z £ Metal Science and Heat Treatment. 1987; 29:836-838. ot s

22 J DOI: 10.1007/BF00707753

^ • 8. Uzlov I.G., Savenkov V.Ya., Polyakov S.N.

(/) Heat treatment of rolled products. Kiev, Technika,

E | 1981; 159. (rus.).

| * 9. Kugushin A.A., Uzlov I.G., Kalmykov V.V.,

¡E £ Madatyan S.A., Ivchenko A.V. High-strength reinfor-

<u ¡8 cing steel. Moscow, Metallurgy, 1986; 272. (rus.). (0 >

10. Natapov A.S., Levchenko L.N., Baskin S.L.

Production of efficient reinforcing profiles for reinforced concrete. Moscow, Metallurgy, 1992; 208. (rus.).

11. Bol'shakov V.I., Chaykovskaya A.O., Chaykov-skiy O.A., Sheremet V.A., Gun'kin I.A., Zhuravlev I.I. Peculiarities of changing properties over the cross section of thermally hardened reinforcement after re-heating. Metallurgical and Mining Industry. 2004; 3:71-74. (rus.).

12. Firat F.K. Mechanical properties of reinforcing steel in r/c: uncertainty analysis and proposal of a new material factor. Arabian Journal for Science and Engineering. 2016; 41:4019-4028. DOI: 10.1007/s13369-016-2077-7

13. Azhermachev G.A., Mennanov E.M., Abdura-khmanov A.Z. Welded joints of longitudinal reinforcement class A500C in frames of earthquake-resistant buildings and structures. News of Donbass National Academy of Business and Architecture. 2009; 4(78):139-142. (rus.).

14. Sergeev N.N., Izvolsky V.V., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Ageev E.V. et al. Influence of microstructural factors and heat treatment on the corrosion resistance of A600 class reinforcing steel. Bulletin of the South-West State University. 2018; 22(2):52-63. DOI: 10.21869/2223-1560-2018-22-2-5263 (rus.).

15. Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Ageev E.V. Influence of modes of high-temperature thermomechanical treatment on the mechanical properties of reinforcing bars. Bulletin of the South-West State University. 2019; 23(2):29-52. DOI: 10.21869/2223-1560-2019-23-2-29-52 (rus.).

16. Volkwein A., Osterminski K., Meyer F., Gehlen C. Distribution of residual stresses in reinforcing steel bars. Engineering Structures. 2020; 223:111140. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111140

17. Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Pantyukhin O.V. Influence of tempering modes on long-term strength of reinforcing steels in hydrogen-containing media. Izvestiya TulGU. Technical science. 2018; 8:94-107. (rus.).

18. Ryabchenkov A.V. Corrosion-fatigue strength of steel. Moscow, Mashgiz, 1953; 180. (rus.).

19. Zaretsky E.M. Influence of deformation on the potentials of metals. Journal of Applied Chemistry. 1951; XXIX(6):615-623. (rus.).

20. González J.A., Andrade C., Alonso C., Feliu S. Comparison of rates of general corrosion and maximum pitting penetration on concrete embedded steel

reinforcement. Cement and Concrete Research. 1995; 25(2):257-264. DOI: 10.1016/0008-8846(95)00006-2

21. Busba E. Effect of Localized Corrosion of Steel on Chloride-Induced Concrete Cover Cracking in Reinforced Concrete Structures. Graduate Theses and Dissertations. 2013. URL:http://scholarcommons.usf. edu/etd/4872

22. Vasilevich Yu.V., Moiseichik A.E. Regularities of deformation of specimens of the Ludwik-Shea type and specimens with group grooves. Theoretical and Applied Mechanics : International Scientific and Technical Collection. Minsk, 2016; 31:238-241. (rus.).

23. Gubkin S.I. Plastic deformation of metals. Moscow; Leningrad, ONTI, 1935; 418. (rus.).

Received December 22, 2020.

Adopted in revised form on March 1, 2021.

Approved for publication on March 11, 2021.

B i o n o t e s : Evgeny A. Moiseichik — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Bridges and Tunnels; Belarusian National Technical University (BNTU); 65 Independence Avenue, Minsk, 220013, Republic of Belarus; emoisseitchik@mail.ru;

Yuri V. Vasilevich — Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical Mechanics and Mechanics of Materials; Belarusian National Technical University (BNTU); 65 Independence Avenue, Minsk, 220013, Republic of Belarus; ID RISC: 285557; tmech@bntu.by;

Aliaksandr E. Moiseichik — Candidate of Technical Sciences, engineer; Belarusian National Technical University (BNTU); 65 Independence Avenue, Minsk, 220013, Republic of Belarus; tmech@bntu.by;

Aliaksei M. Yaznevich — degree of scientist seeker; Belarusian National Technical University (BNTU); 65 Independence Avenue, Minsk, 220013, Republic of Belarus; sato@inbox.ru;

Aliaksandr A. Yakauleu — Senior Lecturer of the Department of Bridges and Tunnels; Belarusian National Technical University (BNTU); 65 Independence Avenue, Minsk, 220013, Republic of Belarus; ID RISC: 972401; mit_ftk@bntu.by.

< П

tT

iH

s, О Г

M 2

о

t СО

l i

y i

J со

u i ri

n °

i s о

n

со со

n

a g

i 66 r 66

t ( an

• ) mi

<D

0>

№ DO ■ £

s S

s у с о <D * WW

M M

о о 10 10