CC BY
159
УДК 624.014 ББК 38.54 Д-44
Вернези Никас Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭСАО Ростовского государственного строительного университета;
Веремеенко Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭСАО Ростовского государственного строительного университета;
Веремеенко Елена Геннадьевна, аспирант кафедры ОПД Ростовского государственного строительного университета;
Хутыз Абрек Махмудович, кандидат технических наук, профессор кафедры строительных и общепрофессиональных дисциплин Майкопского государственного технологического университета, e-mail: alfa-maikop@yandex. ru.
ДИАГНОСТИКА ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
(рецензирована)
Представлены материалы с проблематикой диагностирования металлических конструкций зданий, результатами диагностики металлоконструкций методом неразрушающего контроля прочностных характеристик вновь построенных зданий складского типа и производственного назначения в г. Ростове-на-Дону.
Сделан анализ информации по оценкам механических характеристик, полученным непосредственно на месте производства строительных работ с применением системы неразрушающего метода «Прочность».
Ключевые слова: диагностика, металлоконструкции, несущая способность, механические характеристики, прочность, неразрушаюший контроль, надежность строительных конструкций.
Vernezi Nikas Leonidovich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Department of TESAE, Rostov State University of Civil Engineering;
Veremeenko Andrey Anatolievich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the Department of TESAE, Rostov State University of Civil Engineering;
Veremeenko Elena Gennadievna, postgraduate student of GPD, Rostov State University of Civil Engineering;
Khoutyz Abrek Makhmudovich, Candidate of Technical Sciences, professor of the Department of Construction and General Professional Disciplines, Maikop State Technological University.
DIAGNOSTICS OF STRENGTH OF METAL STRUCTURES
(Reviewed)
The materials on the problems of diagnosing metal constructions and the results of diagnostics of metal structures by NDC of strength characteristics of the newly built warehouse type buildings and industrialfacilities in the city of Rostov-on-Don.
The analysis of the information on the evaluation of mechanical properties obtained on the site of construction work with the application of non-destructive method of "Strength. "
Keywords: diagnosis, metal structures, carrying capacity, mechanical properties, durability, nondestructive control, reliability of engineering structures.
Диагностика технического состояния металлической конструкции сегодня сводится к проведению трех основных мероприятий: как можно более полному дефектоскопическому контролю, качественному определению напряженно-деформированного состояния конструкции, выявлению прочностных возможностей материала.
Давно известные и хорошо разработанные дефектоскопические методы радиационного, ультразвукового, магнитного, капиллярного контроля широко применяются при обследовании строительных конструкций. В той или иной степени, но с достаточной достоверностью эти методы дают возможность выявлять внутренние дефекты элементов конструкции [1].
Для качественной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции применяются различные методы компьютерного моделирования. Здесь главной проблемой представляется достижение максимальной достоверности модели, описывающей реальное состояние конструкции в эксплуатации, что в первую очередь связано с большими затратами времени.
Однако для оценки несущей способности конструкции с помощью такого моделирования необходимо задаться исходными данными, в том числе и механическими характеристиками материала конструкции именно на момент проведения диагностических работ. Как отмечают многие авторы [2, 3], металл в процессе эксплуатации изменяет свои прочностные возможности,
причем в различных местах по-разному. То есть в местах наиболее напряженных снижение прочностных характеристик могут быть более значимыми. Авторы [4] при оценке остаточного ресурса промышленных труб исходят из того, что в эксплуатации происходит непрерывное накопление повреждений с самого начала приложения нагрузки и вплоть до возможного разрушения, при этом вероятность повышения нагруженности возрастает.
В то же время нормативный документ [5] в этих запрещает отбор проб для оценки прочности методами разрушающего контроля. При этом требования государственного стандарта [6] регламентируют подтверждение проектных значений прочностных характеристик на уровне не ниже 0,95. В этой сложной ситуации единственным выходом представляется применение при диагностических работах оперативных и достоверных методов неразрушающего контроля прочностных характеристик. Одним из косвенных методов неразрушающего контроля (без механического взаимодействия инструмента и исследуемого металла), представляется, например, магнитный. Так, его применение для диагностики конструкции [7] основано на предложенной связи коэрцитивной силы с ее циклической долговечностью. Однако неоднозначность такой связи отмечается в [3] вследствие того, что априори неизвестно где могут накапливаться повреждения, приводящие к разрушению. Кроме того, нет, по мнению автора, оснований считать, что накопившиеся пластические деформации обязательно приведут к разрушению из-за перехода материала в хрупкое состояние. Автор отмечает необходимость сочетания неразрушающих с разрушающими методами контроля, указывая на высокую эффективность применения при диагностировании методов фрактографического анализа. При этом акцентировано внимание на том, что количественная фрактография полезна при диагностике металла даже когда в конструкции еще нет трещин и по анализу изломов металла, возможно предположить направление развития трещины.
В предыдущих отчетах [8] и [9] были представлены работы, связанные с проблематикой диагностики прочности металлических конструкций. Было отмечено возможное влияние на сопротивляемость конструкции предварительного напряжения (например, от собственного веса металлоконструкции), а также влиянием упругой деформации стального элемента металлоконструкции на получаемые при неразрушающем контроле механические характеристики. По результатам этих работ были сделаны выводы о том, что в упругой области влияние напряженно-деформированного состояния конструкции, вызванного растяжением и обусловленного собственным весом конструкции, на результаты, получаемые системой «ПРОЧНОСТЬ», находится в пределах ошибки измерений, а тенденции влияния расположения точек измерения на получаемые системой «ПРОЧНОСТЬ» механические характеристики не выявлено.
С помощью системы «Прочность» ранее были получены результаты исследования влияния упрочнения металла одноосным растяжением [10,11], температурного фактора [12] на оценку механических характеристик, а также влияния коэффициента упрочнения металла на получаемую в результате фрактографического анализа долю вязкой составляющей в изломе. Как следствие, был разработан алгоритм оценки максимального напряжения, которое способен выдержать металл из условия сохранения способности к вязкому разрушению [13].
Система неразрушающего контроля механических свойств «Прочность» постоянно совершенствуется, одним из интересных моментов, на решение которых будут направлены исследования в ближайшей перспективе, это возможность определения с помощью неразрушающего контроля температурного порога вязкохрупкого перехода.
В настоящее время работы по совершенствованию и повышению эффективности применения системы неразрушающего контроля механических характеристик «Прочность» сотрудниками кафедры ТЭСАО были продолжены при диагностировании прочности двух сооружений построенных на левом берегу Дона в г. Ростове-на-Дону. Основной целью этой диагностики явилось подтверждение заявленных в проектной документации прочностных характеристик металла. Результаты обследований строительных конструкций регулярно обобщаются и публикуются в печати [14, 15, 16].
Обследовалась металлоконструкция складского здания рамного типа 40х126 м, расположенного на левом берегу г. Ростове-на-Дону.
В соответствии с [17] и [18] при исследовании и испытании металла необходимо оценить предел текучести, предел прочности и относительное удлинение. При этом количество элементов, проверяемых в партии должно быть не менее двух, образцов от каждого элемента не менее двух от всей партии для оценки НВ, стт, а,,: 5.
Поскольку определить документально принадлежность того или иного элемента к партии не представлялось возможным, а неразрушающий метод существенно увеличивает представительность выборки и достоверность результатов, была выбрана следующая схема испытаний.
Обследовались элементы металлоконструкций: колонны, фасонки, косынки и фрагменты
сварных соединений. На каждом из элементов шлифовальной машиной снимался слой краски и ржавчины до образования пятна чистого металла, на котором производилось 15-20 измерений методом ударного внедрения индентора прибора ЦИТ-1. Из 29 рядов несущих элементов (две колонны и ферма) металлоконструкции здания были обследованы элементы 3-х рядов: 12, 15 и 18-го.
Результаты измерений статистически обрабатывались и оценивались их средние значения (фрагменты из полученных результатов приведены в таблице 1).
Таблица 1
№ п/п Элемент металлоконструкции, толщина металла НВ стт, МПа ств, МПа 5, %
1 2 3 4 5 6
1 Ф15 с севера восточная сторона (ось А) (4,1х 120x120) основная наклонная 121 227 354 24
2 129 264 406 26
3 109 243 387 29
4 144 289 428 24
5 119 252 395 27
6 119 252 395 28
7 123 257 399 27
8 109 243 387 29
9 113 247 390 28
Среднее 121 227 354 24
10 Ф15 восточная сторона верх т2 (120х120х4.2 мм) 122 256 398 27
11 139 279 419 25
12 119 253 395 27
13 142 284 424 24
14 116 250 392 28
15 143 285 425 24
16 125 259 401 27
Среднее 129 267 408 26
По проектным данным несущие металлоконструкции выполнены из труб квадратного сечения 120х120х4 и 80х80х3. Заявленные в проекте требования к прочности металла выражены классом прочности С245.
Из анализа таблицы №1 следует, что металл трубы 120х120х4 имеет следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 140НВ; - предел прочности 421МПа;
- предел текучести: 282МПа; - относительное удлинение: 24%.
Для сталей класса С245 значение предела текучести не должно быть ниже 245МПа, что указывает на полное удовлетворение требованиям к прочности металла трубы 120х120х4.
Металл трубы 80х80х3 имеет следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 126НВ; - предел прочности 404МПа;
- предел текучести: 263МПа; - относительное удлинение: 26%.
Эти значения ниже, чем прочностные характеристики металла трубы 120х120х4, однако также удовлетворяют требованиям проекта.
Прокат листовой по проектной документации требуется применять в конструкциях также классом прочности С245.
Высокопрочные болты по результатам измерений имеют следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 283НВ; - предел прочности 935МПа;
- предел текучести: 842МПа; - относительное удлинение: 7%.
По проекту высокопрочные болты в соответствии должны быть иметь класс прочности 8.8, или предел текучести не ниже 640 МПа, предел прочности не ниже 800 МПа, что также указывает на достаточный запас прочности установленных болтов относительно требований НТД.
Такие значения соответствуют классу прочности стали не ниже С245, что удовлетворяет требования к прочности;
Сварные соединения по результатам измерений имеют следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 153НВ; - предел прочности 446МПа;
- предел текучести: 309МПа; - относительное удлинение: 22%.
Качество швов сварных соединений стабильное, существенного рассеивания прочностных
характеристик не наблюдается, а их значения несколько превышают значения характеристик основного металла, что указывает на удовлетворение требований к прочности сварных соединений.
Для проведения ультразвукового обследования был применен ультразвуковой прибор ТТ-100 производства фирмы «Time group Inc», зарегистрированной в государственном реестре средств измерений под №19411-00 и допущенной к применению в РФ (сертификат №7661).
Толщины труб, полученные ультразвуковым измерением (графа 2, табл. 1) имеют следующие средние значения: среднее значение толщин труб 120x120 - 4,13 мм, среднее значение толщин труб 80x80 - 3,33 мм.
Все средние значения имеют превышения над заявленными в проекте.
В результате диагностических работ складского здания можно сделать следующее заключение.
- несущие элементы труб сечением 120x120x4, 80x80x4 металлоконструкции здания имеют прочностные xарактеристики, соответствующие или превышающие требуемые проектом;
- высокопрочные болты имеют прочностные xарактеристики, превышающие требуемые проектной документацией;
- анкерные болты колонн №12, №15, №18 М28 имеют площадь сечения на 6,6% ниже, чем требуемые проектной документацией М30, вместе с тем ж прочностные xарактеристики на 28% превышают требуемые проектной документацией;
- листовые стальные детали имеют xарактеристики, удовлетворяющие или превышаю-щие требуемые проектом;
- сварные соединения по геометрии и по прочностным xарактеристикам соответствуют требуемым в проекте.
Для оценки прочностньгс xарактеристик использовался прибор ЦИТ-1, которым производилось 15-20 измерений методом ударного внедрения индентора. На каждом из элементов шлифовальной машиной снимался слой краски и ржавчины до образования пятна чистого металла.
Данные обобщались и анализировались (фрагменты представлены в таблице 2).
Таблица 2
№ п/п Элемент металлоконструкции, толщина металла HB сгт, МПа ств, МПа 5, %
1 2 3 4 5 6
1 Колонна К2 справа от входа (полка 19,7 мм, 19,5 мм, стенка 15,1 мм) полка 117 250 393 28
2 119 253 395 27
3 119 253 395 27
4 125 259 401 27
5 129 264 405 26
6 129 264 405 26
7 130 266 407 26
8 134 272 412 25
9 134 271 412 25
10 137 276 416 25
11 140 281 421 24
12 143 286 425 24
13 148 296 434 23
Среднее 131 269 409 26
Из анализа таблицы №1 следует, что металл трубы 120x120 имеет минимальные значения механических характеристик:
- твердость: 155НВ; - предел прочности 449МПа;
- предел текучести: 312МПа; - относительное удлинение: 22%.
Эти значения соответствуют классу прочности стали не ниже С285.
Металл трубы 100x100 имеет следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 122НВ; - предел прочности 401МПа;
- предел текучести: 259МПа; - относительное удлинение: 27%.
Эти значения соответствуют классу прочности стали не ниже С245.
Металл трубы 60x60 имеет следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 115НВ; - предел прочности 397МПа;
- предел текучести: 254МПа; - относительное удлинение: 28%.
Эти значения соответствуют классу прочности стали не ниже С245.
Полки колонн по результатам измерений имеют большое рассеивание механических характеристик, средние значения которых следующие:
- твердость: 150 НВ; - предел прочности 442 МПа;
- предел текучести: 305 МПа; - относительное удлинение: 23%.
Стенки колонн по результатам измерений также имеют большое рассеивание
механических характеристик, средние значения которых следующие:
- твердость: 158 НВ; - предел прочности 462 МПа;
- предел текучести: 326 МПа; - относительное удлинение: 21%.
Значения характеристик стенок и полок могут соответствовать металлу.
Высокопрочные болты класса прочности 8.8 по результатам измерений имеют
следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 324 НВ; - предел текучести: 1058 МПа;
- предел прочности 1148 МПа; - относительное удлинение: 8%.
По проекту высокопрочные болты в соответствии должны быть иметь класс прочности 8.8, или предел текучести не ниже 640 МПа, предел прочности не ниже 800 МПа, что также указывает на достаточный запас прочности установленных болтов относительно требований НТД.
Сварные соединения по результатам измерений имеют следующие средние значения механических характеристик:
- твердость: 229 НВ; - предел прочности 671 МПа;
- предел текучести: 555 МПа; - относительное удлинение: 16 %.
Качество швов сварных соединений стабильное, существенного рассеивания прочностных
характеристик не наблюдается, а их значения несколько превышают значения характеристик основного металла, что указывает на удовлетворение требований к прочности сварных соединений.
Толщины труб, полученные ультразвуковым измерением (графа 2, таблица 2) имеют следующие средние значения:
среднее значение толщин труб 120х120 - 4,25 мм,
среднее значение толщин труб 100х100 - 3,55 мм.
среднее значение толщин труб 120х120 - 4,0 мм.
Такие толщины соответствуют требованиям [19]. Труба квадратная.
У колонн значения толщин полок имеют большое рассеивание и заключены между 13,9 мм и 19,7 мм. Значения толщин стенок заключены в интервале от 12,7 до 15,1 мм.
Проведенные диагностические работы металлоконструкций здания завода «Меринос» позволили сделать следующее заключение:
- толщины труб квадратного профиля 60х60, 100х100, 120х120 соответствуют требованиям ГОСТ 30245-003;
- металл труб квадратного профиля 60х60, 100х100, 120х120 имеет класс прочности не ниже С245;
- значения механических характеристик стенок и полок могут соответствовать металлу класса прочности не ниже С285;
- класс прочности высокопрочных болтов превышает указанные на их торцах значения 8.8;
- прочность металла сварных соединений превышает прочность основного металла;
- прочность анкерных болтов соответствует требованиям ГОСТ 24379.1.
Система «Прочность» применяется в диагностических целях для получения всех механических характеристик металла, в любом месте конструкции. Это один из инструментов, необходимых для отработки алгоритма определения остаточного ресурса металлоконструкции.
Получаемые оценки имеют высокие стабильность и достоверность.
Литература:
1. Технические средства диагностирования / Клюев В.В. [и др.]. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.
2. Иванова В.С., Терентьева В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
3. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004. 408 с.
4. Губайдулин Р.Г., Губайдулин М.Р., Шматков А.С. Анализ методов оценки остаточного ресурса дымовых и вентиляционных промышленных труб. Челябинск: Южно-Урал. гос. ун-т, 2008.
5. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2004.
6. ГОСТ Р 54257 - 2010. Надежность строительных конструкций и оснований.
7. Попов Б.Е., Мужицкий В.Ф., Безлюдько Г.Я. // Контроль. Диагностика. 2002. №3(45). С. 15-19.
8. Исследование влияния предварительного напряжения в металле на получаемые при неразрушающем контроле механические характеристики: отчет о НИР / Ростов. гос. строит. ун-т. Ростов н/Д., 2008.
9. Исследование влияния упругой деформации стального элемента металлоконструкции на получаемые при неразрушающем контроле механические характеристики: отчет о НИР / Ростов. гос. строит. ун-т. Ростов н/Д., 2009.
10. Беленький Д.М., Вернези Н.Л., Косенко Е.Е. О прочностных возможностях арматурных
сталей // Бетон и железобетон. 2004. №3.
11. Вернези Н.Л. Прочностной резерв арматурные сталей // Изв. Ростов. гос. строит. ун-та.
2003. №7. С. 27-33.
12. Вернези Н.Л. Критерий прочности и прочностные возможности арматурный сталей для ж применения в зимнж условияx при работаx методом раздельного бетонирования // Там же. 2009. №8.
13. Способ определения физического критерия прочности материалов: пат. 2234692: МПК G01N / Беленький Д.М., Ханукаев М.Г., Вернези Н.Л. заявл. 23.07.03; опубл. 20.08.04.
14. Беленький Д.М., Бескопыльный А.Н., Вернези Н.Л. Опыт диагностики металлически конструкций // Изв. вузов. Строительство. 2003. №1. С. 99-102.
15. Диагностика прочности металла ферм покрытия здания ЗСК «СПОРТ-ДОН» неразрушающим методом / Бескопыльный А.Н. [и др.] // Изв. Ростов. гос. строит. ун-та. 2008. №13.
16. Мониторинг прочности элементов металлоконструкций социальные объектов Сочи / Бескопыльный А.Н. [и др.] // Там же. 2010. №15.
17. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. М., 1988.
18. СП 13-102-2003. Правила обследования несущж строительныx конструкций зданий и сооружений. М., 2004.
19. ГОСТ 30245-003. Профили стальные гнутые замкнутые сварные квадратные и прямоугольные для строительныx конструкций. М., 2004.
References:
1. Technical means of diagnosis /Klyuev V.V. [and oth.]. M.: Mechanical Engineering, 1989. 672p.
2. Ivanova V.S., Terentieva V.F. The nature of metal fatigue. M.: Metallurgy, 1975. 456p.
3. Goritskii V.M. Diagnosis of metals. M.: Metallurgizdat, 2004. 408 p.
4. Gubaidulin R.G., Gubaidulin M.R., Shmatkov A.S. Analysis of methods of assessment of the residual resources of flue and ventilation industrial pipes. Chelyabinsk: South Ural State University, 2008.
5. SP 13-102-2003. Rules of inspection of bearing structures of buildings and structures. M., 2004.
6. GOSTR 54257 - 2010. Reliability of structures and foundations.
7. Popov B.E., Muzhitski V.F., Bezlyudko G.Y. // Control. Diagnostics. 2002. № 3 (45). P.15-19.
8. Investigation of the influence of pre-stress in the metal on mechanical properties obtained in nondestructive testing: research report / Rostov State University of Civil Engineering. Rostov-on-Don. 2008.
9. Investigation of the influence of the elastic deformation of steel element of metal structure on mechanical properties obtained in the non-destructive testing: research report/ Rostov State University of Civil Engineering. Rostov-on-Don. 2009.
10. Belenky M.D., Vernezi N.L., Kosenko E.E. On the durable possibilities of reinforcement steels // Concrete and reinforced concrete. 2004. № 3.
11. Vernezi N.L. Strength reserve of reinforcement steels / / Proceedings of Rostov State University of Civil Engineering. 2003. № 7. P.27-33.
12. Vernezi N.L. Strength criterion and strength capabilities of reinforcement steel for use in winter conditions when working by the method of separate concreting // Proceedings of Rostov State University of Civil Engineering. 2009. № 8.
13. The method for determining the physical criterion of strength of materials: pat. 2234692 : IPC G01N / Belenky D.M., KhanukaevM.G., Vernezi N.L. appl. 23.07.03; publ. 20. 08. 2004.
14. Belenky D.M., Beskopylny A.N., Vernezi N.L. Experience of diagnostics of metal structures // Proceedings of universities. Construction. 2003. № 1. P.99-102.
15. Diagnostics of strength of metal farms of covering the building SK "SPORT-DON" by nondestructive method / Beskopylny A.N. [and oth.] // Proceedings of Rostov State University of Civil Engineering. 2008. № 13.
16. Strengh monitoring of elements of metal structures of social facilities in Sochi/ Beskopylny A.N. [and oth.] //Proceedings of Rostov State University of Civil Engineering. 2010. № 15.
17. SNPII-23-81. Steel structures. M., 1988
18. SP 13-102-2003. Rules of inspecting of bearing structures of buildings and structures. M.,
2004.
19. Standard 30245-003. Steel profiles bent, closed, welded square and rectangular for buildings.M., 2004.
